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华中科技大学章宏进/程卫/鲁涛/彭洋等：高亮度激光照明用ZrO2微球反射增强型PiGF@ZS荧光转换器精选

已有 958 次阅读 2026-6-4 09:31 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

Cite this article:

Zhang H, Cheng W, Lu T, et al. A novel PiGF@ZS color converter with ZrO₂ microsphere-embedded reflector for high-brightness laser lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221327

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221327

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/405226742_A_novel_PiGFZS_color_converter_with_ZrO_2_microsphere-embedded_reflector_for_high-brightness_laser_lighting

基金支持：

本研究得到国家自然科学基金（52475594）、湖北省自然科学基金（2026AFC0612）、武汉市重点研发计划（2025050102030007）以及武汉市自然科学基金（2026040101030010）的资助。

一、导读

高亮度激光照明中，传统PiGF颜色转换器面临蓝光利用不足、界面光损失和热积累等问题，易导致发光饱和。本文提出一种嵌入ZrO₂微球反射层的PiGF@ZS荧光转换器，通过微结构界面回收未吸收蓝光并增强热管理，实现光热协同优化。结果显示，该器件在25 W、5 mm光斑下获得240.5 lm/W的高光效和3782 lm最大光通量；在3 W、1 mm光斑下光通量为传统PiGF@S的1.2倍，并在3 W、5 mm光斑下表面温度为54.6 ℃。该策略为高功率、高亮度激光照明器件提供了低成本、高效率的颜色转换方案。

二、研究背景

随着高亮度照明、激光显示和远距离探照等需求快速增长，白光激光照明因亮度高、方向性好、传输距离远，被认为是下一代高功率照明的重要方向。然而，蓝光激光光斑小、能量密度高，易使颜色转换器产生发光饱和、热积累和光效下降等问题。传统PiGF颜色转换器存在蓝光利用不足、界面光损失和散热受限等瓶颈，难以满足高功率激光照明需求。针对这一挑战，本研究提出嵌入ZrO₂微球反射层的PiGF@ZS荧光转换器，通过微结构界面回收未吸收蓝光，并协同提升光转换效率与热管理能力，为高亮度激光照明提供了高效、稳定、易制备的新方案。

三、文章亮点

提出“微结构反射界面-蓝光回收-光热协同增强”设计思路：通过在PiGF与蓝宝石基底之间引入ZrO₂微球嵌入反射层，实现未吸收蓝光的二次反射与再利用，提升蓝光吸收概率和黄光转换效率，突破传统PiGF蓝光利用不足与界面光损失限制。

揭示激光光斑尺寸对发光饱和与热积累的调控机制：指出扩大激发面积可激活更多荧光粉颗粒并分散热负载，从而提高饱和阈值和光输出稳定性；PiGF@ZS在25 W、5 mm光斑下实现240.5 lm/W光效和3782 lm最大光通量。

验证了面向实际应用的高亮度激光照明潜力：该结构制备工艺简单、成本可控，并完成白光激光照明模块及户外照射验证，为远距离探照、激光显示、汽车照明和特种高亮度照明提供了可推广的颜色转换器设计方案

四、研究结果及结论

本文采用两步刮涂-烧结工艺制备PiGF@ZS颜色转换器。首先将ZrO₂微球与高Tg玻璃粉混合制成浆料，并涂覆于蓝宝石基底，经550℃烧结后形成ZrO₂微球嵌入的ZiG微结构反射层；随后在其表面涂覆YAG荧光粉/低Tg玻璃浆料，并于350℃烧结形成PiGF发光层。该分步烧结策略既保持了ZrO₂微结构界面的完整性，又降低了YAG荧光粉的热损伤，从而保证了颜色转换器的结构稳定性与发光效率。

PiGF@ZS的核心优势在于ZrO₂微球微结构反射界面。该界面可将未被吸收的蓝光重新反射回PiGF发光层，延长蓝光在荧光粉层中的传播路径，提高光子吸收概率，从而增强黄光转换效率。随着激光光斑由1 mm增大至5 mm，更多荧光粉颗粒被有效激发，同时热负载分布更加均匀，器件发光饱和得到明显抑制。优化后的PiGF@ZS在25 W、5 mm光斑下实现3782 lm最大光通量，在3 W、5 mm光斑下光效达到240.5 lm/W；在3 W、1 mm小光斑下，其光通量为传统PiGF@S的1.2倍，展现出优异的高亮度激光照明应用潜力。

针对高功率激光照明中的热积累问题，本文系统研究了不同光斑尺寸和激光功率条件下PiGF@ZS颜色转换器的热管理性能。得益于ZrO₂微球嵌入反射界面对未吸收蓝光的回收利用，以及蓝宝石基底优异的导热能力，PiGF@ZS有效降低了无效透射带来的热损耗，显著抑制了高功率激发下的温升。研究表明，随着激光光斑由1 mm增大至5 mm，热负载分布更加均匀，器件热积累明显降低。在3 W激光条件下，传统PiGF@S表面温度由149 ℃降至61 ℃，而PiGF@ZS则进一步降低至54.6 ℃，表现出更优异的散热能力与光热协同性能，验证了其在高亮度激光照明领域的应用潜力。

五、作者及研究团队简介

彭洋，华中科技大学副教授、博士生导师，IEEE Senior Member、湖北省青年人才、武汉市英才计划、市级创新创业领军人才等。长期从事先进电子制造与半导体芯片封装集成研究，包括发光玻璃陶瓷材料与器件封装制造、航电器件与微系统集成、功率器件与热管理等方面的研究工作。近年来，作为负责人主持国家自然科学基金（青年、面上）、国家重点研发计划子课题、湖北省重点研发计划（优秀结题）、湖北省制造业高质量发展专项等项目。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Laser Photonics Rev.、IEEE EDL/TED、J. Adv. Ceram.等期刊发表论文70余篇，含ESI高被引3篇、封面3篇等，谷歌学术引用2500余次，H指数31；申请国家发明专利40余项；担任多个期刊青年编委、助理编委、专刊客座编辑。

研究方向：主要从事电子封装与微纳制造研究，包括航天电子器件与微系统集成、光电器件（LED/LD）与光热调控、MEMS器件与可靠性等方面。

作者邮箱：ypeng@hust.edu.cn

作者ORCID：pengyang656@126.com

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

1）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

2）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://doi.org/10.1007/s40145-022-0654-7

3）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

《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34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。