CN104402231B - 一种植物激光照明用荧光微晶玻璃及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为5‑30wt％，余量为玻璃基体；所述红色荧光粉在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽大于60nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内。本发明的优点是：该荧光微晶玻璃在蓝色半导体激光器的激发下，发射高亮度660nm的宽带红光，部分透射出来的蓝光激光和荧光微晶玻璃发射的红光与植物的光合作用有效光谱相匹配，同时在高能量密度激光激发下可以获得高亮度的植物激光照明光源，在植物工厂，垂直种植，温室大棚，玻璃培育房等领域具有潜在的应用。

Description

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及固体发光材料领域，特别是涉及一种植物激光照明用荧光微晶玻璃及其制备方法。

【背景技术】

植物对光谱的敏感性与人眼不同。人眼最敏感的光谱为555nm，介于黄-绿光。对蓝光区与红光区敏感性较差。植物则不然，对于红光和蓝光光谱最为敏感。太阳光谱中的蓝光和红光对植物的光合作用影响最大，通常称为光合作用有效光谱。

因此作为植物生长用的人工补光光源，光源的光谱分布也应该接近于此范围。传统的白炽灯、荧光灯等补光光源存在光谱失配和能耗量大的不足，而LED的植物生长补光光源可以调控光源的发射光谱使其与植物的光合作用有效光谱达到完美的匹配。同时LED光源具有节能、环保等一系列优点，LED植物生长补光光源得到了突飞猛进的发展。然而植物的健康生长对光源的需求体现在两个方面，一是上面提到的光谱匹配度，即光源的发射光谱要与植物的光合作用有效光谱一致；二是光强度，光源照射在植物上的光量子密度要达到植物所需求的最低值。不同植物的光量子密度值存在差异，一般要求100μmol/m²·s以上。但是现有的LED植物生长补光光源还不能满足这一要求，通常需要增加光源数量来提高光量子密度值。激光是一种高能量密度的光源，由激光实现的植物照明光源显然能够达到植物光合作用的光量子密度要求。值得一提的是，激光是一种单色光，又存在与植物光合作用的有效光谱失配的问题。此外，激光还是一种准直性非常好的光源，光斑束非常小，不能直接应用于大面积应用的植物照明场合。但是，如果对激光光束进行扩光使其光斑面积增大，并照射在能发出特定波长(植物光合作用需要的波长)的荧光板上，即可有效解决上述问题，得到高亮度、高光谱匹配的植物激光照明光源。

用于激光照明系统的荧光板是由载体材料和发光剂组成，常用的载体材料有PC、环氧树脂、PMMA等有机材料。有机物通常存在热稳定性及化学稳定性差的缺点，特别是在高能量密度的激光照射下，有机材料劣化严重。而荧光微晶玻璃结合了发光晶体和无机玻璃材料的优点，可具有良好的光学性能，选择折射率相近的玻璃和荧光粉，可以更好的将荧光粉的转光效果呈现出来，与有机树脂相比，玻璃材料具有热稳定性好，化学稳定性高，制备方法简单，光学性能好，对荧光粉具有包覆保护作用等优点。

【发明内容】

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种植物激光照明荧光微晶玻璃及制备方法，该荧光微晶玻璃在蓝色半导体激光器的激发下，发射高亮度660nm的宽带红光，部分透射出来的蓝光和荧光微晶玻璃发射的红光与植物的光合作用有效光谱相匹配，同时在高能量密度激光激发下可以获得高亮度的植物激光照明光源，在植物工厂，垂直种植，温室大棚，玻璃培育房等具有潜在的应用。

本发明的技术方案：

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为5-30wt％，余量为玻璃基体；所述红色荧光粉在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽大于60nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内。

所述玻璃基体的成分是：10-40wt％SiO₂、0-30wt％La₂O₃，余量为B₂O₃。

所述红色荧光粉为CaAlSiN₃：Eu²⁺、CaS：Eu²⁺、Sr₂Si₅N₈：Eu²⁺和SrLiAl3N4：Eu中的一种或是两种以上任意比例的混合物。

一种所述植物激光照明用荧光微晶玻璃的制备方法，步骤如下：

1)将B₂O₃、SiO₂、La₂O₃粉料按比例加入坩埚内，放入电阻炉内加热至1000-1400℃，然后保温60-180分钟至完全熔融，在900-1000℃下将熔融的玻璃液迅速浇注压制成玻璃薄片或浇注至洁净水中水淬冷成玻璃颗粒，将玻璃片或玻璃颗粒进行600℃退火处理1个小时，最后将玻璃薄片或玻璃颗粒进行初级研磨过200目筛，得到低熔点玻璃粉粒；

2)将上述低熔点玻璃粉粒进一步研磨均匀，利用震动分子筛300目过筛，然后与红色荧光粉料混合，将得到的混合物料继续研磨1小时使其混合均匀后加热至500-650℃，保温60-180分钟至完全熔融，将熔融液迅速浇注至模具内，压制获得块状玻璃，在300℃下进行退火处理30分钟以消除内应力，得到植物激光照明用荧光微晶玻璃。

本发明的优点和积极效果是：该植物激光照明荧光微晶玻璃克服了常规器件中有机树脂等有机物的不稳定特性，表现出具有良好的热稳定性、化学稳定性和光学特性；其制备工艺简单、成本低廉、无毒无污染，适合工业化制备生产；该植物激光照明荧光微晶玻璃与激光光源相结合可得光谱高度匹配的高亮度植物生长补光光源，在植物工厂、垂直种植、温室大棚等领域具有潜在的应用价值。

【附图说明】

图1是实施例1制备的CaAlSiN₃：Eu³⁺红色荧光微晶玻璃的激发和发射光谱图。

图2是实施例2制备的CaAlSiN₃：Eu³⁺红色荧光微晶玻璃的激发和发射光谱图。

图3是447nm半导体激光器光源的光谱图。

图4是447nm半导体激光器照射荧光微晶玻璃后得到的光谱图。

【具体实施方式】

实施例1：

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为10wt％，玻璃基体为90wt％；所述玻璃基体的成分是：10wt％SiO₂、10wt％La₂O₃，80wt％B₂O₃；所述红色荧光粉为CaAlSiN₃：Eu²⁺，其在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽为80nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内。

所述植物激光照明用荧光微晶玻璃的制备方法，步骤如下：

1)将B₂O₃、SiO₂、La₂O₃粉料按比例加入坩埚内，放入电阻炉内加热至1300℃，然后保温120分钟至完全熔融，在1000℃下将熔融的玻璃液迅速浇注压制成玻璃薄片，将玻璃片在600℃退火处理1个小时，最后将玻璃薄片进行初级研磨过200目筛，得到低熔点玻璃粉粒；

2)将上述低熔点玻璃粉粒进一步研磨均匀，利用震动分子筛300目过筛，然后与CaAlSiN₃：Eu²⁺红色荧光粉料混合，将得到的混合物料继续研磨1小时使其混合均匀后加热至550℃，保温120分钟至完全熔融，将熔融液迅速浇注至模具内，压制获得块状玻璃，在300℃下进行退火处理30分钟以消除内应力，得到植物激光照明用荧光微晶玻璃。

图1是是实施例中所使用的CaAlSiN₃：Eu³⁺红色荧光粉的激发和发射光谱图，图中表明：CaAlSiN₃：Eu³⁺荧光微在蓝紫光激发下发射660nm的深红光，半高宽为80nm。

实施例2：

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为20wt％，玻璃基体为80wt％；所述玻璃基体的成分是：20wt％SiO₂、10wt％La₂O₃，70wt％B₂O₃；所述红色荧光粉为CaAlSiN₃：Eu²⁺，其在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽为80nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内。

所述植物激光照明用荧光微晶玻璃的制备方法，步骤如下：

1)将B₂O₃、SiO₂、La₂O₃粉料按比例加入坩埚内，放入电阻炉内加热至1100℃，然后保温60分钟至完全熔融，在900℃下将熔融的玻璃液浇注至洁净水中水淬冷成玻璃颗粒，将玻璃颗粒在600℃退火处理1个小时，最后将玻璃颗粒进行初级研磨过200目筛，得到低熔点玻璃粉粒；

2)将上述低熔点玻璃粉粒进一步研磨均匀，利用震动分子筛300目过筛，然后与CaAlSiN₃：Eu²⁺红色荧光粉料混合，将得到的混合物料继续研磨1小时使其混合均匀后加热至550℃，保温120分钟至完全熔融，将熔融液迅速浇注至模具内，压制获得块状玻璃，在300℃下进行退火处理30分钟以消除内应力，得到植物激光照明用荧光微晶玻璃。

图2是本实施例制备的荧光微晶玻璃的激发和发射光谱图，图中表明：所制备的荧光微晶玻璃在蓝光激发下发射660nm的深红光，半高宽为80nm。

实施例3：

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为15wt％，玻璃基体为85wt％；所述玻璃基体的成分是：15wt％SiO₂、5wt％La₂O₃，80wt％B₂O₃；所述红色荧光粉为CaAlSiN₃：Eu²⁺，其在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽为80nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内。

所述植物激光照明用荧光微晶玻璃的制备方法，步骤如下：

1)将B₂O₃、SiO₂、La₂O₃粉料按比例加入坩埚内，放入电阻炉内加热至1300℃，然后保温60分钟至完全熔融，在1000℃下将熔融的玻璃液迅速浇注压制成玻璃薄片，将玻璃片在600℃退火处理1个小时，最后将玻璃薄片进行初级研磨过200目筛，得到低熔点玻璃粉粒；

2)将上述低熔点玻璃粉粒进一步研磨均匀，利用震动分子筛300目过筛，然后与CaAlSiN₃：Eu²⁺红色荧光粉料混合，将得到的混合物料继续研磨1小时使其混合均匀后加热至550℃，保温120分钟至完全熔融，将熔融液迅速浇注至模具内，压制获得块状玻璃，在300℃下进行退火处理30分钟以消除内应力，得到植物激光照明用荧光微晶玻璃。

所制备的CaAlSiN₃：Eu³⁺红色荧光微晶玻璃可用于植物激光照明，在蓝色激光器的激发下或得红、蓝光发射光源。附图3是所采用的447nm半导体蓝色激光器的光谱图，蓝色激光器发射窄带447nm蓝色光。

实施例4：

一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为10wt％，玻璃基体为90wt％；所述玻璃基体的成分是：15wt％SiO₂、5wt％La₂O₃，80wt％B₂O₃；所述红色荧光粉为CaAlSiN₃：Eu²⁺，其在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽是80nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内。

所述植物激光照明用荧光微晶玻璃的制备方法，步骤如下：

1)将B₂O₃、SiO₂、La₂O₃粉料按比例加入坩埚内，放入电阻炉内加热至1100℃，然后保温60分钟至完全熔融，在900℃下将熔融的玻璃液浇注至洁净水中水淬冷成玻璃颗粒，将玻璃颗粒在600℃退火处理1个小时，最后将玻璃颗粒进行初级研磨过200目筛，得到低熔点玻璃粉粒；

2)将上述低熔点玻璃粉粒进一步研磨均匀，利用震动分子筛300目过筛，然后与CaAlSiN₃：Eu²⁺红色荧光粉料混合，将得到的混合物料继续研磨1小时使其混合均匀后加热至550℃，保温120分钟至完全熔融，将熔融液迅速浇注至模具内，压制获得块状玻璃，在300℃下进行退火处理30分钟以消除内应力，得到植物激光照明用荧光微晶玻璃。

图4是是447nm半导体激光器照射荧光微晶玻璃后得到的光谱图，图中表明：光谱包括激光光源和蓝光峰和微晶玻璃中镶嵌的CaAlSiN₃：Eu²⁺荧光粉的红光发射峰，与植物光合作用的光合有效光谱相匹配，可用于植物照明领域。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种植物激光照明用荧光微晶玻璃，其特征在于：由玻璃基体和红色荧光粉组成，其中红色荧光粉的含量为5-30wt％，余量为玻璃基体；所述红色荧光粉在蓝色激光光源激发下发射660nm的宽谱深红光，半高宽大于60nm；红色荧光粉晶粒均匀镶嵌在玻璃基体内；所述玻璃基体的成分是：10-15wt％SiO₂、5wt％La₂O₃，余量为B₂O₃；所述红色荧光粉为CaAlSiN₃：Eu²⁺、CaS：Eu²⁺、Sr₂Si₅N₈：Eu²⁺和SrLiAl₃N₄：Eu²⁺中的一种或是两种以上任意比例的混合物。

2.一种如权利要求1所述植物激光照明用荧光微晶玻璃的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)将B₂O₃、SiO₂、La₂O₃粉料按比例加入坩埚内，放入电阻炉内加热至1000-1400℃，然后保温60-180分钟至完全熔融，在900-1000℃下将熔融的玻璃液迅速浇注压制成玻璃薄片或浇注至洁净水中水淬冷成玻璃颗粒，将玻璃片或玻璃颗粒进行600℃退火处理1个小时，最后将玻璃薄片或玻璃颗粒进行初级研磨过200目筛，得到低熔点玻璃粉粒；

2)将上述低熔点玻璃粉粒进一步研磨均匀，利用震动分子筛300目过筛，然后与红色荧光粉料混合，将得到的混合物料继续研磨1小时使其混合均匀后加热至500-650℃，保温60-180分钟至完全熔融，将熔融液迅速浇注至模具内，压制获得块状玻璃，在300℃下进行退火处理30分钟以消除内应力，得到植物激光照明用荧光微晶玻璃。