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原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Wang X, Qu J, Zhang H, et al. A reflective sapphire@PiGF@alumina color converter enabling ultrahigh luminescence laser-driven white lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221124
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221124
ResearchGate：A reflective sapphire@PiGF@alumina color converter enabling ultrahigh luminescence laser-driven white lighting
1、导读
高亮度白激光照明颜色转换器在同时兼备优异光学性能和出色散热性能方面面临着严峻挑战。本文通过热压键合方法设计并制备出一种反射型sapphire@PiGF@alumina荧光转换器（S@PiGF@A）。得益于Al2O3和蓝宝石的高热导率和双面散热通道，S@PiGF@A荧光转换器能够承受高激光功率密度，优化后的S@PiGF@A荧光转换器在超小光斑（1.014 m2）条件下的激光功率密度饱和阈值为47.70 W/mm2时，产生的光通量高达6749 lm（公开报道最高值），是传统PiGF@Al2O3荧光转换器（2522 lm@19.53 W/mm2）的2.44倍。该研究为设计高质量PiGF荧光转换器及其高亮度白激光照明提供了很好的借鉴意义。
2、研究背景
为了缓解热聚集和荧光粉淬灭，全无机荧光玻璃薄膜（PiGF）颜色转换器得到了广泛关注和研究。尽管引入高导热基板（蓝宝石、Al2O3、AlN和Al等），透射型和反射型白激光照明的光学和散热性能得到了改善，但常规PiGF转换器即使在低激光功率密度（<15 W/mm2）下仍会出现严重的发光饱和现象，难以实现高亮度白激光照明。
为此，研究提出了反射型ssapphire@PiGF@ alumina（S@PiGF@A）荧光转换器用于高亮度白光照明。将LSN PiGF压制在蓝宝石光窗和Al2O3基板之间制成S@PiGF@A荧光转换器光窗。蓝宝石和Al2O3高导热性提供了双面散热通道，同时Al2O3高反射率和蓝宝石高透射率保证了高效的荧光转换和光子逃逸。同时系统研究了蓝宝石厚度对S@PiGF@A发光和热学性能的影响规律，并通过有限元分析（FEA）验证了S@PiGF@A的散热增强机制。
3、文章亮点
（1）S@PiGF@A荧光转换器在小光斑（1.014 mm²）条件下实现了超高亮度激光照明（6749 lm）和高功率密度饱和阈值（47.70 W/mm2），在荧光转换白激光照明领域展现出的巨大潜力和应用前景。
（2）系统分析了蓝宝石和PiGF厚度对S@PiGF@A光热性能的影响规律，并通过有限元分析（FEA）验证了S@PiGF@A的散热增强机制。
4、研究结果及结论
在蓝宝石光窗与Al2O3基板之间热压LSN PiGF可制作S@PiGF@A荧光转换器，如图1所示。首先将LSN荧光粉颗粒、玻璃粉、有机溶剂混合得到荧光粉-玻璃浆料；然后将荧光粉-玻璃浆料均匀印刷在Al2O3基板上，然后在80°C下干燥30分钟；再将蓝宝石光窗置于干燥的荧光粉-玻璃浆料表面，然后在680°C下以2 MPa的压力进行60分钟的热压键合，得到S@PiGF@A荧光转换器。为了直观说明S@PiGF@A荧光转换器的性能优点，在相同条件下制备了无蓝宝石光窗的PiGF@alumina荧光转换器（PiGF@A）。
Fig. 1 Schematic diagram of preparation process of S@PiGF@A color converter.
图2展示了LSN 荧光粉和S@PiGF@A荧光转换器的发光性能S@PiGF@A荧光转换器在烧结后依然保持了LSN荧光粉的发光特性，外量子效率高达71%，满足白激光照明对荧光转换器的要求。
Fig. 2(a) XRD spectra, (b) PLE/PL spectra and (c) fluorescence decay curves of LSN phosphor and S@PiGF@A color converter, (d) EQE of LSN phosphor, PiGF, and S@PiGF@A color converter.
图3为蓝宝石光窗、Al2O3基板和S@PiGF@A荧光转换器的透射率和反射率图谱。Al2O3具有 84%的高反射率，蓝宝石也具有＞85%的高透射率，从而保证了高效的荧光转换和光子逃逸。
Fig. 3(a) Transmittance spectra of sapphire optical windows and alumina substrate, (b) Reflectance spectra of S@PiGF@A color converter with various sapphire thicknesses.
图4为S@PiGF@A荧光转换器的微观结构和元素分布结果。PiGF与蓝宝石光窗和Al2O3基板紧密结合，未观察到明显的裂纹和分层现象，这有利于实现高结合强度和低界面热阻，且LSN荧光粉在S@PiGF@A制备过程中保持了完整的晶体结构。
Fig. 4(a) LSN phosphor particle size distribution, (b) SEM image of LSN PiGF surface, (c) cross-section SEM image and EDS mapping images of S@PiGF@A color converter.
图5展示了不同蓝宝石光窗厚度对S@PiGF@A光学性能的影响随着蓝宝石厚度增加到3.0 mm，S@PiGF@A功率密度饱和阈值提高到47.70 W/mm2，光通量提升到6749 lm，是传统PiGF@A（2522lm@19.53W/mm2）的2.44倍。此外，光效也会随着蓝宝石厚度增加而逐渐提高，这是因为双面散热通道和高导热蓝宝石降低了PiGF工作温度，从而有效增加荧光转换器的“有效辐射通量”（光功率与热功率比）。
Fig. 5(a) Luminous flux and (b) luminous efficacy of different S@PiGF@A converters at various input power densities, (c) maximum luminous flux and maximum luminous efficacy of S@PiGF@A converters with different sapphire thicknesses, (d) light and heat powers with different sapphire thicknesses.
图6展示了EL光谱和CIE色度坐标，黄-绿波段的EL强度随着蓝宝石厚度的增加而逐渐降低，S@PiGF@A基白激光的CIE色度坐标由黄-白区逐渐向蓝-白区移动，且光谱分布经过普朗克轨迹。
Fig. 6(a) EL spectra and (b) CIE chromaticity coordinates of S@PiGF@A converters with different sapphire thicknesses.
图7通过有限元分析分析了S@PiGF@A散热增强机制。在小光斑（1.014 mm²）条件下。S@PiGF@A工作温度在激光驱动前0.5s急剧上升，然后在1s后趋于稳定；此外，S@PiGF@A在输入功率密度为19.72 W/mm2时，增大蓝宝石厚度可有效降低转换器工作温度，并逐渐趋于饱和，说明荧光转化热量可通过高导热双面散热结构得到有效改善，从而提高荧光转化效率。
Fig. 7(a) Schematic diagram of divergence angle and spot area of blue laser beam, (b) transient temperature of laser-driven S@PiGF@A converters with different sapphire thicknesses, (c) maximum temperature and (d) cross-sectional temperature distribution of converters with different sapphire thicknesses during operation.
图8为高亮度荧光转换白激光照明应用。该白激光光源由蓝光LD、透镜系统、S@PiGF@A转换器、外部准直和聚焦透镜组成。开发的白激光光源最终实现了约1.5公里的长距离准直照明，表明S@PiGF@A转换器在实现超高亮度白激光照明具有巨大的潜力。
Fig. 8(a) Pictures and (b) EL spectra and optical performance of traditional PiGF@A converter and S@PiGF@A converter, (c) light path schematic diagram, (d) physical picture, and (e) lighting picture of laser-driven S@PiGF@A converter.
5、作者及研究团队简介
牟运：博士、“百人计划”副教授、深圳市鹏城孔雀计划高层次人才。近五年来，主持国家自然科学基金、GF创新特区课题项目、广西重点研发计划课题、深圳市重大科技专项课题等国家级和省市级项目10余项，迄今以第一/通讯作者在《Energy Convers. Manage.》、《J. Adv. Ceram.》、等国际一流期刊发表论文26篇，担任Micromachines期刊客座编辑。
研究方向：先进电子材料与宽禁带器件封装技术
个人主页：https://sic.sysu.edu.cn/members/t02/1409361.htm;
作者邮箱：mouy5@mail.sysu.edu.cn; mouluck@163.com
作者ORCID：0000-0003-4532-0617
徐建明：博士、中山大学“百人计划”领军人才，教授、博士生导师，集成电路学院微纳加工与微系统集成技术学科带头人，现任中山大学集成电路学院副院长。从事微波高速集成器件制作工艺与封装测试技术研究。曾作为主任设计师、主任工艺师和技术负责人，先后承担973计划、工程型号等重点课题等10余项，荣获部级科技进步奖。担任信息光电子专委会副秘书长、第七届智能工业大会组织委员会主席、国家科技委、广东省科技厅、深圳市科技局评审专家等。
研究方向：微纳加工与微系统集成技术
个人主页：https://sic.sysu.edu.cn/members/t01/1408708.htm;
作者邮箱：xujianming@mail.sysu.edu.cn
中山大学（深圳）博士生王欣远为论文第一作者。该工作得到了广西重点研发计划（AB25069373）、深圳市科技项目（JCYJ20230807110907016）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010001，2024A1515011445）以及深圳市博士后科研资助项目的支持。感谢中山大学和华中科技大学分析测试中心对XRD、AFM和SEM测试的支持。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
1) Liu X, Chen M, Zhao J, et al. Unique composite architecture of phosphor-in-glass film coated on different heat-conducting substrates for high-brightness laser lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(2): 9221027. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221027
2) Yu Z, Zhao J, Wang Q, et al. Laser spot associated high-saturation phosphor-in-glass film for transmissive and reflective high-brightness laser lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1821-1832. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220790
3) PENG Y, YU Z, ZHAO J, et al. Unique sandwich design of high-efficiency heat-conducting phosphor-in-glass film for high-quality laser-driven white lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(12): 1889-1900. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0654-7
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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