科学网—华中科技大学章宏进/程卫/鲁涛/彭洋等：高亮度激光照明用ZrO 2微球反射增强型PiGF@ZS荧光转换器-清华大学出版社学术期刊的博文
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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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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 ZrO 2 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。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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