LED中熒光材料量子效率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院, 天津 300387)

引 言

白光LED作為固態(tài)照明中的核心器件,有著高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為將取代傳統(tǒng)照明方式成為新一代的節(jié)能照明光源[1-2]。目前,在工藝上有3種實(shí)現(xiàn)方式:(1) 通過(guò)紅、綠、藍(lán)三基色LED芯片混光;(2) 通過(guò)紫外芯片激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉;(3) 通過(guò)藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉[3]。隨著白光LED的廣泛應(yīng)用,如何準(zhǔn)確地測(cè)量熒光材料的熒光參數(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注[4],尤其是對(duì)熒光材料量子效率的準(zhǔn)確測(cè)量。至今為止,國(guó)內(nèi)外做了大量的有關(guān)熒光材料量子效率的測(cè)量技術(shù)研究,1997年英國(guó)劍橋大學(xué)的Mello等[5]采用3步測(cè)量法進(jìn)行了測(cè)量。2006年,英國(guó)杜倫大學(xué)的Porrès等[6]運(yùn)用Mello的理論提出了一套新的測(cè)量熒光材料量子效率的系統(tǒng)。2010年,日本大塚電子公司[7-8]研制出了一種基于半積分球的量子效率測(cè)量系統(tǒng)。相比于國(guó)外的熒光材料量子效率的測(cè)量系統(tǒng)的研究,國(guó)內(nèi)的研究較少、起步較晚。付偉等[9]采用仿真的方法,分析了積分球內(nèi)涂層特性以及不同測(cè)量方法對(duì)熒光材料量子效率的準(zhǔn)確性的影響。董向坤等[10]提出了采用LED光源作為激發(fā)光源對(duì)熒光材料量子效率進(jìn)行了測(cè)量。鑒于國(guó)內(nèi)的測(cè)量系統(tǒng)較少且不完善,本文通過(guò)研究國(guó)外的量子效率測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展情況,設(shè)計(jì)出了一種新型的測(cè)量系統(tǒng),并用兩種不同的熒光材料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,最后對(duì)計(jì)算的結(jié)果與廠家所給的量子效率數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比、分析。

1 量子效率的定義以及測(cè)量原理

熒光材料的一個(gè)重要參數(shù)就是量子效率(quantum efficiency,QE),其定義為在特定波長(zhǎng)、單位時(shí)間內(nèi),熒光材料吸光后所發(fā)射的光子數(shù)與所吸收的光子數(shù)之比。目前,國(guó)際上通常采用絕對(duì)法進(jìn)行量子效率的測(cè)量,也就是用量子效率的定義[11]進(jìn)行測(cè)量,即分別測(cè)量并計(jì)算出熒光材料吸光后的發(fā)射光子數(shù)Nout和熒光材料吸收的激發(fā)光子數(shù)Nabs,并根據(jù)公式:

(1)

計(jì)算出熒光材料的量子效率。然而,直接測(cè)量發(fā)射與激發(fā)的光子數(shù)是困難的,因此可以通過(guò)間接的方法得到光子數(shù)。

一個(gè)光子數(shù)的能量E表達(dá)式為:

(2)

式中:c、λ分別為光速和波長(zhǎng);h為普朗克常量。那么Δλ內(nèi)的光子數(shù)ΔN表達(dá)式可寫(xiě)為:

(3)

式中P(λ)代表光譜能量分布。所以從λ1至λ2的波段范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)的光子數(shù)N可寫(xiě)為:

(4)

最后,可由式(1)和式(4)得到量子效率公式為:

(5)

式中:Nout、Nabs、Pout(λ)、Pabs(λ)分別為熒光材料吸光后的發(fā)射光子數(shù)、熒光材料吸收的激發(fā)光子數(shù)、熒光材料吸光后的光譜能量分布和熒光材料吸收的光譜能量分布;A為吸收系數(shù)。

2 量子效率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)備的選取

根據(jù)量子效率的定義可知,測(cè)量熒光材料的量子效率時(shí),必須在特定的波長(zhǎng)下激發(fā)熒光材料,且要使用單色光作為激發(fā)光源。目前,通常有3種單色光源:激光光源、氙燈光源和LED芯片光源。若用激光作為激發(fā)光源時(shí),直接照射到積分球內(nèi)壁的斑點(diǎn)光強(qiáng)比積分球內(nèi)其余點(diǎn)的光強(qiáng)分布要強(qiáng),使積分球內(nèi)光強(qiáng)分布不均勻;若用氙燈作為激發(fā)光源時(shí),由于氙燈光源體積大,不容易放置于積分球內(nèi),且不適合于市場(chǎng)推廣。因此,采用LED芯片作為激發(fā)光源,LED光源具有波段選擇靈活、波長(zhǎng)范圍大、價(jià)格低廉和使用方便等優(yōu)點(diǎn)[12],使得LED作為激發(fā)光源的測(cè)量系統(tǒng)能廣泛的應(yīng)用于市場(chǎng)推廣,對(duì)LED的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有重要意義。由于熒光材料的形狀、尺寸不規(guī)則,而其發(fā)光強(qiáng)度空間分布不均勻,所以通常采用積分球進(jìn)行光的收集。內(nèi)壁均勻地涂上高反射率的涂層材料,同時(shí)在球上開(kāi)有入光孔和出光孔,運(yùn)用光纖對(duì)球內(nèi)的光進(jìn)行高效率的采集,最后運(yùn)用光譜儀來(lái)采集光譜數(shù)據(jù),并在電腦上進(jìn)行顯示、處理。綜上所述,本文采用波長(zhǎng)為465 nm、供電電流為20 mA的藍(lán)光LED芯片作為激發(fā)光源,采用杭州晶飛科技有限公司的直徑為150 mm、涂層材料為BaSO4、漫反射系數(shù)為92%以上的半積分球作為光收集裝置,運(yùn)用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)在積分球上與垂直軸線成15°的位置上開(kāi)一個(gè)光纖接口,光纖另一頭與光譜儀連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。光譜儀采用上海辰昶公司的EK2000-Pro光譜儀,該光譜儀具有高靈敏度、高量子化效率和高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn),其采集波長(zhǎng)范圍為200～1 100 nm。最后通過(guò)編程的方式,對(duì)采集出來(lái)的數(shù)據(jù)運(yùn)用式(5)進(jìn)行量子效率的計(jì)算。圖1為測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖1 量子效率測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of quantum efficiency measurement system

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

通過(guò)三步法進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的采集:

1) 半積分球內(nèi)不放置熒光材料,讓激發(fā)光直接照射到積分球內(nèi)部,通過(guò)光譜儀得到藍(lán)光LED光源的相對(duì)光譜強(qiáng)度分布圖;

2) 將熒光材料放置在積分球內(nèi),但不要使激發(fā)光直接照射在熒光材料上,測(cè)得相對(duì)光譜能量分布圖,這樣做是為了消除二次激發(fā)對(duì)量子效率產(chǎn)生的影響;

3) 將熒光材料放置在積分球內(nèi),光源直接照射在熒光材料樣品上,同時(shí)放置好樣品的位置,使得光能全部照射在樣品上,最后通過(guò)光譜儀獲得相對(duì)光譜能量分布。

圖2為量子效率測(cè)量步驟流程圖。

圖2 量子效率測(cè)量流程圖Fig.2 Flow diagram of quantum efficiency measurement

由于光譜儀獲得的為相對(duì)光譜分布圖,若要進(jìn)行量子效率的計(jì)算,需要解析出絕對(duì)光譜能量分布,通常由標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)臬@得。將已知絕對(duì)光譜能量分布的標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)粼谙嗤膶?shí)驗(yàn)環(huán)境下,進(jìn)行光譜測(cè)量,然后將標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻慕^對(duì)光譜與測(cè)量得到的相對(duì)光譜進(jìn)行對(duì)比得到校正因子K(λ),即

K(λ)=I絕(λ)/I相(λ)

(6)

將實(shí)驗(yàn)中獲得的相對(duì)光譜乘上校正因子,即可獲得絕對(duì)光譜能量分布[13]。最后,通過(guò)計(jì)算獲得光量子分布圖,根據(jù)式(5)計(jì)算出量子效率。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

本文通過(guò)兩種不同的熒光材料樣品對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,分別為摻雜Tb的熒光玻璃和Y3Al5O12(YAG)熒光粉(需用蓋玻片壓成片狀),然后放置在LED芯片上進(jìn)行測(cè)量。

圖3和圖4分別為L(zhǎng)ED芯片的入射光譜圖和熒光粉的發(fā)射光譜圖。

圖3 入射光譜圖Fig.3 Incident light spectrum

圖4 發(fā)射光譜圖Fig.4 Emission light spectrum

圖3、圖4的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示了波長(zhǎng)和相對(duì)光強(qiáng)。圖3顯示了運(yùn)用光譜儀單獨(dú)測(cè)量LED芯片的入射光譜;圖4表示當(dāng)LED芯片照射在熒光粉后,運(yùn)用光譜儀測(cè)量的熒光粉的發(fā)射光譜圖。同時(shí),使用光譜儀自帶的測(cè)量軟件導(dǎo)出圖中每一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值,最后通過(guò)一個(gè)小程序,采用式(5),計(jì)算出量子效率數(shù)值。

通過(guò)實(shí)驗(yàn),最終測(cè)得的熒光玻璃和熒光粉的量子效率分別為40.3%和87.6%,由于熒光樣品的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,使得量子效率的數(shù)值較低,但結(jié)果與商家所稱的基本一致,其中熒光玻璃和熒光粉的量子效率分別為30%～60%、70%～90%,這表明該測(cè)量系統(tǒng)是可行的,但是為了使該系統(tǒng)具有通用性,仍然需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改善提高,包括樣品的擺放、光纖探頭的位置等。

3 結(jié) 論

首先,總結(jié)了熒光材料量子效率測(cè)量系統(tǒng)的研究進(jìn)展情況;隨后,介紹了量子效率的測(cè)量定義以及測(cè)量原理;最后,設(shè)計(jì)出了一種新型的量子效率測(cè)量系統(tǒng),并分別對(duì)兩種不同的LED用熒光材料進(jìn)行了測(cè)量,保證了系統(tǒng)的有效性?，F(xiàn)有的商業(yè)化的測(cè)量熒光材料的量子效率測(cè)試系統(tǒng)主要有美國(guó)的海洋光學(xué)、日本的日立、大塚電子等公司,而且設(shè)備的價(jià)格都比較昂貴。通過(guò)該設(shè)計(jì),對(duì)研究出中國(guó)本土的、價(jià)格便宜的測(cè)量系統(tǒng),起到了一定的參考作用,同時(shí)也間接地推動(dòng)了LED綠色照明的發(fā)展。

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