“激光+荧光转换材料” 是现行激光显示产品光源的主流实现方式，可有效避免传统“RGB三基色激光”光源的“绿隙（Green Gap）”、激光散斑等问题，具有效率高、成本低、结构紧凑等优点。荧光转换材料，尤其是绿光材料，是构建激光显示光源的关键。无机卤化物钙钛矿量子点具有色纯度高、发光波长可调、荧光量子效率高等优异光学性能，非常适用于宽色域显示光源，但其物化稳定性较差，难以承受高功率密度蓝光激光长时间辐照。
针对钙钛矿纳米晶耐激光辐照阈值低的问题，中科院福建物构所王元生研究员和林航研究员带领的光功能材料研究团队设计了一种新型的钙钛矿纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料。研究表明，通过玻璃受控晶化，CsPbBr3纳米晶单分散分布于非晶玻璃基体中，并且经低温共烧不会造成CsPbBr3纳米晶的热侵蚀。通过调节前驱玻璃的热处理工艺参数和组分中卤素离子种类和比例，复合材料的发光波长宽幅可调（图1）。受益于玻璃基质的鲁棒性以及高热导率蓝宝石基板优异的散热性，该复合材料具有良好的抗热冲击性、抗湿性、耐激光辐照性（图2）。通过构建“荧光轮”，可将连续激光辐照转变为脉冲式激光辐照，使热失控效应（thermal-runaway effect）大幅减轻，材料的发光饱和阈值因此得以提升至7 W/mm2（图3）。如图4所示，构建的激光投影原型光源具有低光学拓展量（0.41 mm2）、宽色域（128.4 % NTSC，即96.2 % Rec.2020）和适中的光通量（174 lm）。
图1 基于（a）不同热处理温度、（b）不同热处理时间和（c）不同卤素成分，制得CsPbBr3纳米晶发光玻璃陶瓷-蓝宝石复合材料的稳态发射光谱；（d）CsPbX3玻璃陶瓷（上）、CsPbX3纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料（下）在自然光和紫外光下的样品照片
图2 稳定性测试：（a）水中浸泡30天，CsPbBr3纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料的发光积分强度变化图；（b）室温至100和200 ℃的冷热循环过程中，CsPbBr3纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料的温度-发光强度-波长三维图，插图为对应发光积分强度变化图；（c）920 mW/mm2和5 W/mm2蓝光激光辐照、旋转模式下，CsPbBr3纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料的发光积分强度变化图
图3 （a）静止模式样品的红外热像，插图为自然光下的静止样品照片；（b）旋转模式样品的红外热像，插图为自然光下复合材料色轮的样品照片；（c）旋转/静止模式下CsPbBr3纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料“荧光轮”的输入蓝光激光功率密度和转换得绿光光功率关系图；（d）旋转/静止模式下CsPbBr3纳米晶发光玻璃陶瓷膜-蓝宝石复合材料随输入蓝光激光功率密度增加的局域温度变化
图4 （a）原型激光显示系统构建示意图[206]；（b）采用远程封装，耦合蓝光激光器和红光商用LED得到的发光光谱（转速：3000 rpm、蓝光激光光功率：5 W、红光LED功率：160 mW），插图为“荧光轮”和商用红光LED图像；（c）对应CIE色坐标图，包含NTSC标准色域、Rec.2020标准色域、原型光源色域
该工作以“Stable CsPbBr3-Glass Nanocomposite for Low-Étendue Wide-Color-Gamut Laser-Driven Projection Display”为题于2021年5月26日在线发表在Laser & Photonics Reviews杂志（DOI: 10.1002/lpor.202100044），王元生研究员和林航研究员为该论文的共同通讯作者，第一作者为福建物构所博士研究生林世盛。
该研究工作得到了国家自然科学基金委（U2005213, 11774346, 51972303, 51872288, 11974350）)、福建省科技重点项目(2020H0035)和中国福建光电信息科学与技术创新实验室(2021ZR134)等经费资助。
原文刊载于【InfoMat】公众号
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