LED中熒光材料量子效率測量系統的設計

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(天津工業大學 電氣工程與自動化學院, 天津 300387)

引 言

白光LED作為固態照明中的核心器件,有著高效、節能、環保等優點,被認為將取代傳統照明方式成為新一代的節能照明光源[1-2]。目前,在工藝上有3種實現方式:(1) 通過紅、綠、藍三基色LED芯片混光;(2) 通過紫外芯片激發紅、綠、藍三基色熒光粉;(3) 通過藍光芯片激發黃光熒光粉[3]。隨著白光LED的廣泛應用,如何準確地測量熒光材料的熒光參數引起了人們的廣泛關注[4],尤其是對熒光材料量子效率的準確測量。至今為止,國內外做了大量的有關熒光材料量子效率的測量技術研究,1997年英國劍橋大學的Mello等[5]采用3步測量法進行了測量。2006年,英國杜倫大學的Porrès等[6]運用Mello的理論提出了一套新的測量熒光材料量子效率的系統。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量系統。相比于國外的熒光材料量子效率的測量系統的研究,國內的研究較少、起步較晚。付偉等[9]采用仿真的方法,分析了積分球內涂層特性以及不同測量方法對熒光材料量子效率的準確性的影響。董向坤等[10]提出了采用LED光源作為激發光源對熒光材料量子效率進行了測量。鑒于國內的測量系統較少且不完善,本文通過研究國外的量子效率測量系統的發展情況,設計出了一種新型的測量系統,并用兩種不同的熒光材料對系統進行了測試,最后對計算的結果與廠家所給的量子效率數值進行了對比、分析。

1 量子效率的定義以及測量原理

熒光材料的一個重要參數就是量子效率(quantum efficiency,QE),其定義為在特定波長、單位時間內,熒光材料吸光后所發射的光子數與所吸收的光子數之比。目前,國際上通常采用絕對法進行量子效率的測量,也就是用量子效率的定義[11]進行測量,即分別測量并計算出熒光材料吸光后的發射光子數Nout和熒光材料吸收的激發光子數Nabs,并根據公式:

(1)

計算出熒光材料的量子效率。然而,直接測量發射與激發的光子數是困難的,因此可以通過間接的方法得到光子數。

一個光子數的能量E表達式為:

(2)

式中:c、λ分別為光速和波長;h為普朗克常量。那么Δλ內的光子數ΔN表達式可寫為:

(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,對應的光子數N可寫為:

(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射光子數、熒光材料吸收的激發光子數、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。

2 量子效率測量系統的設計

2.1 系統設備的選取

根據量子效率的定義可知,測量熒光材料的量子效率時,必須在特定的波長下激發熒光材料,且要使用單色光作為激發光源。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。若用激光作為激發光源時,直接照射到積分球內壁的斑點光強比積分球內其余點的光強分布要強,使積分球內光強分布不均勻;若用氙燈作為激發光源時,由于氙燈光源體積大,不容易放置于積分球內,且不適合于市場推廣。因此,采用LED芯片作為激發光源,LED光源具有波段選擇靈活、波長范圍大、價格低廉和使用方便等優點[12],使得LED作為激發光源的測量系統能廣泛的應用于市場推廣,對LED的現實應用具有重要意義。由于熒光材料的形狀、尺寸不規則,而其發光強度空間分布不均勻,所以通常采用積分球進行光的收集。內壁均勻地涂上高反射率的涂層材料,同時在球上開有入光孔和出光孔,運用光纖對球內的光進行高效率的采集,最后運用光譜儀來采集光譜數據,并在電腦上進行顯示、處理。綜上所述,本文采用波長為465 nm、供電電流為20 mA的藍光LED芯片作為激發光源,采用杭州晶飛科技有限公司的直徑為150 mm、涂層材料為BaSO4、漫反射系數為92%以上的半積分球作為光收集裝置,運用光纖進行數據傳輸,同時在積分球上與垂直軸線成15°的位置上開一個光纖接口,光纖另一頭與光譜儀連接并進行數據的采集。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態范圍等特點,其采集波長范圍為200～1 100 nm。最后通過編程的方式,對采集出來的數據運用式(5)進行量子效率的計算。圖1為測量系統示意圖。

圖1 量子效率測量系統示意圖Fig.1 The schematic diagram of quantum efficiency measurement system

2.2 實驗步驟

通過三步法進行光譜數據的采集:

1) 半積分球內不放置熒光材料,讓激發光直接照射到積分球內部,通過光譜儀得到藍光LED光源的相對光譜強度分布圖;

2) 將熒光材料放置在積分球內,但不要使激發光直接照射在熒光材料上,測得相對光譜能量分布圖,這樣做是為了消除二次激發對量子效率產生的影響;

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

圖2為量子效率測量步驟流程圖。

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

由于光譜儀獲得的為相對光譜分布圖,若要進行量子效率的計算,需要解析出絕對光譜能量分布,通常由標準鹵素燈獲得。將已知絕對光譜能量分布的標準鹵素燈在相同的實驗環境下,進行光譜測量,然后將標準鹵素燈的絕對光譜與測量得到的相對光譜進行對比得到校正因子K(λ),即

K(λ)=I絕(λ)/I相(λ)

(6)

將實驗中獲得的相對光譜乘上校正因子,即可獲得絕對光譜能量分布[13]。最后,通過計算獲得光量子分布圖,根據式(5)計算出量子效率。

2.3 實驗測試與分析

本文通過兩種不同的熒光材料樣品對該系統進行了測試,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芯片上進行測量。

圖3和圖4分別為LED芯片的入射光譜圖和熒光粉的發射光譜圖。

圖3 入射光譜圖Fig.3 Incident light spectrum

圖4 發射光譜圖Fig.4 Emission light spectrum

圖3、圖4的橫坐標和縱坐標分別表示了波長和相對光強。圖3顯示了運用光譜儀單獨測量LED芯片的入射光譜;圖4表示當LED芯片照射在熒光粉后,運用光譜儀測量的熒光粉的發射光譜圖。同時,使用光譜儀自帶的測量軟件導出圖中每一個波長對應的光強值,最后通過一個小程序,采用式(5),計算出量子效率數值。

通過實驗,最終測得的熒光玻璃和熒光粉的量子效率分別為40.3%和87.6%,由于熒光樣品的結構問題,使得量子效率的數值較低,但結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%,這表明該測量系統是可行的,但是為了使該系統具有通用性,仍然需要對系統進行改善提高,包括樣品的擺放、光纖探頭的位置等。

3 結 論

首先,總結了熒光材料量子效率測量系統的研究進展情況;隨后,介紹了量子效率的測量定義以及測量原理;最后,設計出了一種新型的量子效率測量系統,并分別對兩種不同的LED用熒光材料進行了測量,保證了系統的有效性?，F有的商業化的測量熒光材料的量子效率測試系統主要有美國的海洋光學、日本的日立、大塚電子等公司,而且設備的價格都比較昂貴。通過該設計,對研究出中國本土的、價格便宜的測量系統,起到了一定的參考作用,同時也間接地推動了LED綠色照明的發展。

參考文獻:

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