原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Xue B, Liu S, Hu H, et al. Origins of heat and luminous saturation in LuAG:Ce thin films for high-power laser lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221238

文章DOI： 10.26599/JAC.2026.9221238

ResearchGate：Origins of heat and luminous saturation in LuAG:Ce thin films for high-power laser lighting

1、背景与挑战：透视激光照明中的“饱和困境”

在激光驱动照明领域，研究者们普遍面临一个棘手且悬而未决的共性问题：随着激光功率密度的攀升，发光亮度并不会呈现预期的线性增长，而是迅速陷入饱和平台期，并伴随着材料温度的剧烈飙升。

这一现象究竟源于纯粹的光学猝灭、热学失控，还是二者复杂的时空耦合？长期以来，学界尚缺乏统一且深入的物理诠释。近期，东北大学刘绍宏教授团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的研究成果，以LuAG:Ce薄膜为模型体系，通过精确调控Ce掺杂浓度（0.1-4.0 mol%）并巧妙设计主动水冷对照实验，首次构建了一个完整且自洽的解释框架，为破解这一难题提供了关键线索。

2、图文导读

（1）一切从“热源”说起：热并非外因，而是发光过程的内在产物

文章首先澄清了一个核心事实：在高功率蓝光激光激发下，LuAG:Ce薄膜的主要热源源于光-光转换过程中不可避免的能量损耗。如PLE/PL光谱所示（图1），LuAG:Ce体系存在约0.28 eV的Stokes位移，这意味着每个被吸收的蓝光光子约有10%的能量会自发转化为热能。随着Ce离子浓度及激发功率密度的提升，产热量同步增长。这有力地证明了热并非外部干扰，而是光转换过程中必须支付的“物理代价”。

图1 LuAG:Ce薄膜的形貌(a)与光谱特性：(b)激发光谱（PLE）；(c)发射光谱（PL）

（2）Ce浓度并非“越高越好”：2.5 mol%的机制分界点

研究发现，2.5 mol%是LuAG:Ce体系的物理机制拐点。如图2所示，当Ce浓度≤ 2.5 mol%时，体系接近理想固溶体状态：晶格参数严格遵循Vegard定律，晶格应变维持在极低水平；此时发光饱和阈值较高（28-40 W/mm²），热载荷主要源于本征的Stokes位移。

一旦Ce浓度突破2.5 mol%，体系性能发生剧变：晶格参数明显偏离Vegard定律，内部应变陡增；热猝灭激活能从0.3 eV骤降至0.15 eV；由于Ce³⁺-Ce³⁺间距缩短至14 Å以下，触发了偶极-偶极相互作用导致的浓度猝灭效应。在此阶段，Stokes位移与浓度猝灭共同产热，诱发温度急剧攀升并强化非辐射跃迁，导致发光过早饱和，饱和阈值显著降低。这一现象清晰地揭示了发光饱和本质上是辐射与非辐射跃迁竞争博弈的结果。

图2 LuAG:Ce薄膜的结构与光热性能演化：(a)晶格参数随Ce浓度的变化曲线（验证Vegard定律）；(b)热猝灭激活能的浓度依赖性；(c)浓度猝灭物理机制分析；(d)发光饱和阈值的演变规律

（3）发光饱和的本质：非辐射复合通道的“全面接管”

实验观察到的机制切换清晰地揭示了饱和现象的本质。根据Ce浓度的不同，体系呈现出三种截然不同的行为模式（图3）：低浓度区间（0.1-0.5 mol%）样品表现出极佳的热稳定性（在60 W·mm^-2下温升仍低于50  ℃），发光始终未达饱和，但整体亮度受限于较弱的光吸收能力；最优浓度区间（0.8-2.5 mol%）发光强度随浓度增加迅速攀升，并在2.5 mol%处达到性能巅峰（在28 W·mm^-2时实现1618.3 lm的最高亮度）；高浓度区间（≥3.0 mol%）样品温升剧烈，发光饱和阈值骤降至16-22 W·mm^-2，光效与转换效率同步大幅下降。这有力地证明了发光饱和是由于高温与高浓度效应诱发的“非辐射通道”在能量竞争中占据了绝对主导地位。

图3不同Ce浓度LuAG:Ce薄膜的光热性能随入射激光功率密度的演变规律：(a)光通量；(b)热效应；(c)吸收特性；(d)转换效率

（4）关键验证：主动散热推迟饱和，揭示热诱导本质

文中最具说服力的“硬核”证据来自主动水冷对照实验（图4）。水冷干预几乎未改变材料的蓝光吸收率（波动< 1%），确保了光学输入的恒定。在2.5 mol% Ce浓度下，水冷使光斑温度有效降低了约42.3  ℃。这一温降直接驱动了性能飞跃：发光饱和阈值从28 W·mm^-2拓宽至32 W·mm^-²，最大光通量由1618.3  lm提升至 1938.6 lm（显著增幅达19.8%）。这条证据链清晰地证伪了“光学饱和主导论”——既然在吸收率恒定的前提下，单纯通过控温即可大幅推迟饱和点，那么制约亮度瓶颈的元凶必然是热诱导的非辐射复合过程，而非光学吸收的物理饱和。

图4 主动水冷实验对光热机制的解耦验证：(a)光吸收恒定性；(b)水冷降低光斑温度；(c)水冷提升光通量和光效；(d)水冷普遍提高了饱和阈值

3、总结与展望

这项研究的核心价值，并非仅仅制备出一种高性能的LuAG:Ce薄膜，而在于其在深层物理机制上的突破性贡献：首次系统性地拆解了高功率激光照明中的产热机制，实现了热源的精准定位；提出了一个具有普适性的设计准则，即提升发光上限的核心，不在于盲目堆叠掺杂浓度或激发功率，而在于如何有效阻断非辐射通道对能量的“截流”效应。抑制热诱导的非辐射跃迁是提升发光亮度的物理核心。这一结论超越了单一材料的研制范畴，为高能量密度照明体系提供了一套自洽的解释框架和设计准则。在未来的研究中，对能量流向的协同调控将成为攻克发光饱和瓶颈、实现超高通量激光照明的关键所在。

4、作者及研究团队简介

刘绍宏，东北大学材料科学与工程学院，教授，硕士生/博士生导师。中国有色金属学会贵金属学术委员会委员，《发光学报》、《稀有金属》、《RARE METALS》青年编委，Chem. Commun.，J. Mater. Chem.，Langmuir，Ceram. Int.，J. Alloy Compd.等刊物审稿人。曾获辽宁省自然科学奖二等奖、辽宁省自然科学学术成果奖一等奖、中国有色金属科技论文奖二等奖、东北大学优秀博士论文。研究涉及半导体用贵金属溅射靶材(Ru、Ir)、AgCuTi系列钎料、AgMgNi电接触材料、激光照明技术、陶瓷覆铜基板、陶瓷/金属连接。已在《Journal of Advanced Ceramics》、《Journal of Materials Science and Technology》、《Journal of Materials Chemistry A》、《Chemical Engineering Journal》、《Rare Metals》等国内外学术期刊上发表论文60余篇，以第一发明人获国家授权发明专利7项。

Email：liush@smm.neu.edu.cn

作者ORCID：0000-0001-6039-7458

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Hu H, Xue B, Liu S, et al. Lowering operating temperatures in high-power laser-excited LuAG:Ce films by improving crystallinity and increasing Ce³⁺ content. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(4): 9221061. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221061

《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，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202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。

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