CN115925409A - 一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤及其制备方法，该复合荧光陶瓷光纤由纤芯和包层组成，纤芯层采用Ce离子掺杂的黄色荧光陶瓷，包层采用离子共掺的红色荧光陶瓷，采用凝胶注模法制得。利用这一设计结构，既可以实现Ce离子与其他离子间的能量传递使光谱红移来提升显色指数，又可以显著提升光效。同时光纤直径很好的匹配了激光光斑尺寸，有效解决了激光光斑尺寸与陶瓷发光面失配所带来的“黄环效应”问题，照明效果优异，可以有效解决高功率LD泵浦时的散热问题，有利于长期稳定照明。

Description

一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤材料，具体涉及一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤及其制备方法，属于激光照明技术领域。
背景技术
激光照明光源是基于半导体激光器和荧光转换材料的照明方案，其原理是采用蓝光LD和黄光荧光材料相配合发出白光。为了追求大功率LD激发以实现高光通量光源的制备，需要荧光材料具备更好的导热性能以承受大功率密度激光的冲击。传统的荧光粉材料难以达到这样的要求，而荧光陶瓷由于具备高热导率，并且容易制备复杂形状，因此成为与蓝光LD配合的最佳材料。
然而激光白光光源中由于蓝光光谱过窄，并且缺少红光成分，导致其显色指数较低，限制了其在照明领域的应用。为解决这一问题，研究者们提出了一些解决方案。例如，在石榴石体系中掺杂Gd3+、Mg2+和Si4+等离子使荧光陶瓷的发光光谱产生红移。这种方法虽然使显色指数有一定程度的提高，然而发光效率会受到晶体结构改变的影响而下降。另外的方法是通过掺杂Cr、Mn等元素增加荧光陶瓷的红光发射光谱。但是这些离子会与Ce离子发生能量传递，导致Ce离子发光强度的降低。因此许多研究都是以降低光效的代价来提升显色指数。
为了达到更高的发光效率和高显指，研究人员对Ce:YAG荧光陶瓷进行了微结构设计。论文(Laser Phys.29(2019)056203)提出的一种基于激光器的、发光均匀的白光照明光源，该系统创新性的使用有机玻璃棒作为荧光粉体的支撑部件，利用光的全反射原理，蓝色激光在透明有机玻璃棒四周的分布十分均匀。此时在有机玻璃棒的周围旋涂荧光粉体，将获得更加均匀的白光分布。但是，该方案有以下几个方面的问题：(1)激光器与荧光材料通过透镜进行连接，不可分离，使用时需整体置于冷库中，水雾严重影响激光器的正常工作。(2)采用硅胶封装的荧光粉作为发光体，由于硅胶或TiO2封装的荧光粉体不透明，导致光源的出光效率较低。另外LD光束由于面积小，入射荧光体后会直接穿过荧光体中间部分形成白光，而周围蓝光较少的部分未被充分激发形成“黄环”。因此，鉴于以上问题，有必要提出一种显色指数和出光效率更高的光源系统，以满足照明需求。
光纤照明是近年来兴起的高科技照明技术，利用光纤导体的传输，可以将光源传导到光纤中的任意位置，其应用方式分为两种，一是端面发光，另一个是体发光。目前有关激光照明用荧光陶瓷光纤的研究报道较少，在制备方法上存在工艺不成熟、难以工业化大批量生产等技术问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤及其制备方法。通过设计光纤直径很好的匹配激光光斑尺寸，有效解决了激光光斑尺寸与陶瓷发光面失配所带来的“黄环效应”问题。利用复合结构实现高光效和高显指的优异照明效果，加上光纤散热能力强，有利于长期稳定照明。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤，由荧光陶瓷纤芯和荧光陶瓷包层组成，所述荧光陶瓷纤芯的化学式为(RE1-xCex)3Al5O12，0.0001≤x≤0.005，其中RE为Y或Lu；所述荧光陶瓷包层的化学式为(A1-yCey)3(Al1-zBz)5O12，0.001≤y≤0.01，0.001≤z≤0.08，其中A为Y或Lu，B为Mn或Cr。
整根光纤的直径为0.15～1mm，其中纤芯直径0.05～0.2mm。
所述的复合荧光陶瓷光纤在800nm波长下透过率为80.0～84.0％；采用20W的蓝光进行端面泵浦，调整蓝光光斑与复合荧光陶瓷光纤断面相匹配，复合荧光陶瓷光纤可获得高质量白光，发光效率为200～260lm/W，显色指数为75～85。
另一方面，本发明还提供上述高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，采用凝胶注模法，具体步骤包括：
(1)按照化学式(RE1-xCex)3Al5O12，0.0001≤x≤0.005中各元素的化学计量比分别称取各高纯氧化物原料粉体，其中RE为Y或Lu；将各原料粉体混合，并加入烧结助剂、分散剂、磨球、无水乙醇组成预混液，球磨得到混合浆料；球磨结束后烘干浆料，过筛，除杂处理后得到凝胶注模成型的纤芯陶瓷粉体；
(2)按照化学式(A1-yCey)3(Al1-zBz)5O12，0.001≤y≤0.01，0.001≤z≤0.08中各元素的化学计量比称取各高纯氧化物原料粉体，其中，A为Y或Lu，B为Mn或Cr；将各原料粉体混合，并加入烧结助剂、分散剂、磨球、无水乙醇组成预混液，球磨得到混合浆料；球磨结束后烘干浆料，过筛，除杂处理后得到凝胶注模成型的包层陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的陶瓷粉体分别配制成凝胶体系的浆料，纤芯层制备所用浆料真空除泡后注入细直径毛细玻璃管中，干燥后形成荧光陶瓷光纤素坯；通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到荧光陶瓷纤芯；
(4)将步骤(3)得到的荧光陶瓷纤芯置于粗直径毛细玻璃管中间位置，四周注入包层制备所用浆料，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到复合荧光陶瓷光纤。
优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述烧结助剂为MgO和TEOS，加入的量分别为原料粉体总量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％；所述分散剂为PEI，加入的量为原料粉体总量的0.2～0.5wt.％；球磨转速为170～260r/min，球磨时间为24～36h。
优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述烘干温度为50～120℃，筛网目数为80～300目，除杂温度为800～1100℃。
优选的，步骤(3)中所述凝胶体系为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺体系和PIBM体系的一种，所述浆料固含量在52～56vol.％。
优选的，步骤(3)和步骤(4)中所述干燥温度为25～60℃，时间为12～48h；所述排胶机制为：室温下以0.2～5℃/min升温到500℃，再以5～10℃/min升温到900℃，在900℃保温5～8h。
优选的，步骤(3)和步骤(4)中所述真空烧结温度为1700～1800℃，保温时间为8～20h。
优选的，步骤(3)和步骤(4)中所述退火温度为1400～1450℃，保温时间为10～20h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中荧光陶瓷光纤采用双层在径向上按同心圆方式排列的复合结构，纤芯层采用Ce离子掺杂的黄色荧光陶瓷，包层采用离子共掺的红色荧光陶瓷。利用这一设计结构，既可以实现Ce离子与其他离子间的能量传递使光谱红移来提升显色指数，又可以显著提升光效。同时光纤直径很好的匹配了激光光斑尺寸，照明效果优异。
(2)本发明采用凝胶注模法依次制备光纤纤芯层和复合荧光光纤，有效将光纤纤芯层和包层紧密粘合在一起，通过控制烧结温度提升光纤整体质量。同时该制备方法可以实现大批量制备，生产成本低，有利于该复合荧光陶瓷光纤制备产业化。
(3)利用光纤结构优势，光纤端面很好的匹配激光光斑尺寸，有效解决了激光光斑尺寸与陶瓷发光面失配所带来的“黄环效应”问题，通过蓝光光束一部分转换成白光，另一部分在光纤内部的“全内反射”，有效提升蓝光的提取率，并且可以有效解决高功率LD泵浦时的散热问题，有利于长期稳定照明。
附图说明
图1为本发明复合荧光陶瓷光纤的结构和发光机理示意图。
图2为本发明复合荧光陶瓷光纤制备工艺流程图。
图3为实施例1中20W的蓝光激发下复合荧光陶瓷光纤的EL谱。
图4为实施例1中蓝光激发下复合荧光陶瓷光纤的发光效率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤，结构如图1所示，由荧光陶瓷纤芯和荧光陶瓷包层组成，其中荧光陶瓷纤芯的化学式为(Y0.9999Ce0.0001)3Al5O12，荧光陶瓷包层的化学式为(Y0.999Ce0.001)3(Al0.999Mn0.001)5O12。整根光纤直径为0.15mm，长度为100mm，其中纤芯直径0.05mm。
复合荧光陶瓷光纤的具体制备方法如图2所示，包括以下步骤：
(1)按照化学式(Y0.9999Ce0.0001)3Al5O12各元素的化学计量比分别称取各高纯Y2O3、Al2O3和CeO2原料粉体共125g，将各原料粉体混合，并加入烧结助剂(0.25gMgO和0.5gTEOS)、分散剂(0.625g PEI)、Al2O3磨球、无水乙醇组成预混液，球料比为5:1，放入球磨罐中按照170r/min球磨24h得到混合浆料；球磨结束后50℃下烘干浆料，过80目筛，在800℃下除杂处理后得到凝胶注模成型的纤芯陶瓷粉体；
(2)按照化学式(Y0.999Ce0.001)3(Al0.999Mn0.001)5O12中各元素的化学计量比称取各高纯Y2O3、Al2O3、CeO2和MnCO3原料粉体共125g，将各原料粉体混合，并加入烧结助剂(0.25gMgO和0.5g TEOS)、分散剂(0.625g PEI)、Al2O3磨球、无水乙醇组成预混液，球料比为5:1，放入球磨罐中按照170r/min球磨24h得到混合浆料；球磨结束后50℃下烘干浆料，过80目筛，在800℃下除杂处理后得到凝胶注模成型的包层陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的陶瓷粉体分别配制成丙烯酰胺凝胶体系的浆料，浆料固含量为52vol.％，纤芯层制备所用浆料真空除泡后注入细直径毛细玻璃管中，在25℃干燥48h后形成荧光陶瓷光纤素坯；通过排胶、1700℃真空烧结8h、1400℃退火10h，最终抛光后得到荧光陶瓷纤芯，排胶机制为：室温下以0.2℃/min升温到500℃，再以5℃/min升温到900℃，在900℃保温5h；
(4)将步骤(3)得到的荧光陶瓷纤芯置于粗直径毛细玻璃管中间位置，四周注入包层制备所用浆料，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到复合荧光陶瓷光纤，所采用干燥、排胶、真空烧结和退火机制等同步骤(3)。
本实施例所制备的复合荧光陶瓷光纤在800nm波长下透过率为84.0％；当采用20W的蓝光进行端面泵浦时，荧光陶瓷光纤可获得高质量白光，发光效率为255lm/W，显色指数为82.6(如图3和图4)。
实施例2
一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤，结构如图1所示，由荧光陶瓷纤芯和荧光陶瓷包层组成，其中荧光陶瓷纤芯的化学式为(Lu0.995Ce0.005)3Al5O12，荧光陶瓷包层的化学式为(Y0.99Ce0.01)3(Al0.92Cr0.08)5O12。整根光纤直径为1.0mm，长度为50mm，其中纤芯直径0.2mm。
复合荧光陶瓷光纤的具体制备方法如图2所示，包括以下步骤：
(1)按照化学式(Lu0.995Ce0.005)3Al5O12各元素的化学计量比分别称取各高纯Lu2O3、Al2O3和CeO2原料粉体共125g，将各原料粉体混合，并加入烧结助剂(0.875g MgO和0.75gTEOS)、分散剂(0.25g PEI)、Al2O3磨球、无水乙醇组成预混液，球料比为3:1，放入球磨罐中按照260r/min球磨36h得到混合浆料；球磨结束后120℃下烘干浆料，过300目筛，在1100℃下除杂处理后得到凝胶注模成型的纤芯陶瓷粉体；
(2)按照化学式(Y0.99Ce0.01)3(Al0.92Cr0.08)5O12中各元素的化学计量比称取各高纯Y2O3、Al2O3、CeO2和Cr2O3原料粉体共125g，将各原料粉体混合，并加入烧结助剂(0.875g MgO和0.75g TEOS)、分散剂(0.25g PEI)、Al2O3磨球、无水乙醇组成预混液，球料比为3:1，放入球磨罐中按照260r/min球磨36h得到混合浆料；球磨结束后120℃下烘干浆料，过300目筛，在1100℃下除杂处理后得到凝胶注模成型的包层陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的陶瓷粉体分别配制成甲基丙烯酰胺凝胶体系的浆料，浆料固含量为56vol.％，纤芯层制备所用浆料真空除泡后注入细直径毛细玻璃管中，在60℃干燥12h后形成荧光陶瓷光纤素坯；通过排胶、1800℃真空烧结20h、1450℃退火20h，最终抛光后得到荧光陶瓷纤芯，排胶机制为：室温下以5℃/min升温到500℃，再以10℃/min升温到900℃，在900℃保温8h；
(4)将步骤(3)得到的荧光陶瓷纤芯置于粗直径毛细玻璃管中间位置，四周注入包层制备所用浆料，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到复合荧光陶瓷光纤，所采用干燥、排胶、真空烧结和退火机制等同步骤(3)。
本实施例所制备的复合荧光陶瓷光纤在800nm波长下透过率为80.0％；当采用20W的蓝光进行端面泵浦时，荧光陶瓷光纤可获得高质量白光，发光效率为200lm/W，显色指数为80.2。
实施例3
一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤，结构如图1所示，由荧光陶瓷纤芯和荧光陶瓷包层组成，其中荧光陶瓷纤芯的化学式为(Y0.999Ce0.001)3Al5O12，荧光陶瓷包层的化学式为(Lu0.995Ce0.005)3(Al0.99Cr0.01)5O12。整根光纤直径为0.3mm，长度为10mm，其中纤芯直径0.1mm。
复合荧光陶瓷光纤的具体制备方法如图2所示，包括以下步骤：
(1)按照化学式(Y0.999Ce0.001)3Al5O12各元素的化学计量比分别称取各高纯Y2O3、Al2O3和CeO2原料粉体共125g，将各原料粉体混合，并加入烧结助剂(0.625gMgO和0.625gTEOS)、分散剂(0.375gPEI)、Al2O3磨球、无水乙醇组成预混液，球料比为1:1，放入球磨罐中按照200r/min球磨30h得到混合浆料；球磨结束后80℃下烘干浆料，过100目筛，在1000℃下除杂处理后得到凝胶注模成型的纤芯陶瓷粉体；
(2)按照化学式(Lu0.995Ce0.005)3(Al0.99Cr0.01)5O12中各元素的化学计量比称取各高纯Lu2O3、Al2O3、CeO2和Cr2O3原料粉体共125g，将各原料粉体混合，并加入烧结助剂(0.625gMgO和0.625gTEOS)、分散剂(0.375gPEI)、Al2O3磨球、无水乙醇组成预混液，球料比为1:1，放入球磨罐中按照200r/min球磨30h得到混合浆料；球磨结束后80℃下烘干浆料，过100目筛，在1000℃下除杂处理后得到凝胶注模成型的包层陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的陶瓷粉体分别配制成PIBM凝胶体系的浆料，浆料固含量为54vol.％，纤芯层制备所用浆料真空除泡后注入细直径毛细玻璃管中，在45℃干燥24h后形成荧光陶瓷光纤素坯；通过排胶、1780℃真空烧结16h、1420℃退火15h，最终抛光后得到荧光陶瓷纤芯，排胶机制为：室温下以2℃/min升温到500℃，再以8℃/min升温到900℃，在900℃保温7h；
(4)将步骤(3)得到的荧光陶瓷纤芯置于粗直径毛细玻璃管中间位置，四周注入包层制备所用浆料，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到复合荧光陶瓷光纤，所采用干燥、排胶、真空烧结和退火机制等同步骤(3)。
本实施例所制备的复合荧光陶瓷光纤在800nm波长下透过率为82.2％；当采用20W的蓝光进行端面泵浦时，荧光陶瓷光纤可获得高质量白光，发光效率为225lm/W，显色指数为75。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤，其特征在于，由荧光陶瓷纤芯和荧光陶瓷包层组成，所述荧光陶瓷纤芯的化学式为(RE1-xCex)3Al5O12，0.0001≤x≤0.005，其中RE为Y或Lu；所述荧光陶瓷包层的化学式为(A1-yCey)3(Al1-zBz)5O12，0.001≤y≤0.01，0.001≤z≤0.08，其中A为Y或Lu，B为Mn或Cr。
2.根据权利要求1所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤，其特征在于，所述复合荧光陶瓷光纤的直径为0.15～1mm，其中纤芯直径0.05～0.2mm。
3.权利要求1或2所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)按照化学式(RE1-xCex)3Al5O12，0.0001≤x≤0.005中各元素的化学计量比分别称取各高纯氧化物原料粉体，其中RE为Y或Lu；将各原料粉体混合，并加入烧结助剂、分散剂、磨球、无水乙醇组成预混液，球磨得到混合浆料；球磨结束后烘干浆料，过筛，除杂处理后得到凝胶注模成型的纤芯陶瓷粉体；
(2)按照化学式(A1-yCey)3(Al1-zBz)5O12，0.001≤y≤0.01，0.001≤z≤0.08中各元素的化学计量比称取各高纯氧化物原料粉体，其中，A为Y或Lu，B为Mn或Cr；将各原料粉体混合，并加入烧结助剂、分散剂、磨球、无水乙醇组成预混液，球磨得到混合浆料；球磨结束后烘干浆料，过筛，除杂处理后得到凝胶注模成型的包层陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的陶瓷粉体分别配制成凝胶体系的浆料，纤芯层制备所用浆料真空除泡后注入细直径毛细玻璃管中，干燥后形成荧光陶瓷光纤素坯；通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到荧光陶瓷纤芯；
(4)将步骤(3)得到的荧光陶瓷纤芯置于粗直径毛细玻璃管中间位置，四周注入包层制备所用浆料，干燥后依次通过排胶、真空烧结、退火抛光后得到复合荧光陶瓷光纤。
4.根据权利要求3所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中所述烧结助剂为MgO和TEOS，加入的量分别为原料粉体总量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％；所述分散剂为PEI，加入的量为原料粉体总量的0.2～0.5wt.％；球磨转速为170～260r/min，球磨时间为24～36h。
5.根据权利要求3所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中所述烘干温度为50～120℃，筛网目数为80～300目，除杂温度为800～1100℃。
6.根据权利要求3所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述凝胶体系为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺体系和PIBM体系的一种，所述浆料固含量在52～56vol.％。
7.根据权利要求3所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中所述干燥温度为25～60℃，时间为12～48h；所述排胶机制为：室温下以0.2～5℃/min升温到500℃，再以5～10℃/min升温到900℃，在900℃保温5～8h。
8.根据权利要求3所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中所述真空烧结温度为1700～1800℃，保温时间为8～20h。
9.根据权利要求3所述的一种高光效高显指复合荧光陶瓷光纤的制备方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中所述退火温度为1400～1450℃，保温时间为10～20h。
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