熒光粉光致發光特性實驗的改進與探索

□樊 婷 謝嘉寧 呂健滔

謝嘉寧，呂健滔;佛山科學技術學院理學院

一、引言

光源與照明專業作為21世紀我國高等教育的重點發展新興學科，對培養光電類應用型人才有著重要的意義。目前對光源與照明專業人才的培養標準比較高，不但要求具備扎實的理論基礎，還要求具有較強的實踐操作能力和創新能力。為了實現這一培養目標，學校在人才培養計劃中設置了大量的實驗和實踐環節，旨在使學生既可通過實驗教學鞏固理論知識，又可以提高實踐操作技能。因此，實驗的內容與開展方式顯得尤為重要，只有不斷提高專業實驗的開設質量，才能實現應用型人才的培養目標［1，3］。本文重點討論如何豐富專業實驗內容，并以熒光粉光致發光特性實驗作為例子，討論具體的實現措施。

二、傳統熒光粉光致發光特性實驗的不足

傳統熒光粉光致發光特性實驗一般包括兩個實驗內容:藍光激發黃色LED熒光粉和紫外光激發三基色熒光粉。由于實驗只配備了激發裝置和光強測試儀，因此整個實驗只能圍繞熒光粉的相對發光強度來展開，實驗內容非常有限，可擴展性也差。

(一)實驗內容單一。由于實驗所配備的儀器有限，只包含了激發裝置和光強測試儀，因此學生只能測量熒光粉的相對亮度。實驗內容過于單一，信息量也少，學生無法通過實驗了解更多知識。

(二)未能體現出熒光粉發光特性的核心內容。由光源的基本原理可知，除了發光強度之外，光的顏色等參數也是燈具設計的重要因素。特別是對于LED和熒光燈照明，發光顏色在很多場合都顯得尤為重要。因此，熒光粉的光致發光實驗必須包含色度學方面的內容，但實際上，熒光粉的光致發光試驗并未體現出熒光粉發光特性的核心內容。

(三)實驗內容難以擴展，不利于提高學生的設計能力。由于實驗裝置功能有限，對于實驗內容的擴展也只能多測幾種不同類型的熒光粉，但意義不大，沒法鍛煉學生的設計性思維。

(四)不能對白光合成過程進行定量控制。對于紫外光激發三色熒光粉的實驗內容，要求學生將紅、綠、藍三種熒光粉以一定比例進行混合，以獲得白光。在傳統實驗中對白光的合成效果只能通過眼睛觀測，但這種方法屬于定性判斷，缺乏嚴謹性和準確性。

三、熒光粉光致發光特性實驗的改進與優點

鑒于傳統熒光粉光致發光特性實驗存在著內容單一，擴展性差，難以鍛煉學生的設計能力等方面的不足，擬對實驗進行改進——增加一臺光纖光譜儀，以實現對熒光粉的發光光譜進行測量，這對實驗內容是極大的豐富，而且還能夠對熒光粉的一個重要參數——顏色進行定量測量。這一改進也為實驗提供了很大的擴展空間，滿足開放式實驗的設計要求。實驗選用荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048系列光纖光譜儀，并將光纖頭置于激發裝置專用的采集孔內，通過調整光纖頭與樣品架的距離，以保證最佳的采集效果。光纖光譜儀通過微型計算機進行控制與數據采集，使學生可以實時觀測結果，并可方便地進行數據保存與分析，實驗系統原理圖如圖1所示，改良后的實驗主要有以下幾方面的優點。

圖1 實驗系統原理圖

(一)實驗內容豐富。由于增加了光譜測量的裝置與內容，學生在實驗過程中除了研究熒光粉的發光強度和發光效率之外，還可以測量熒光粉的發光顏色。另外，學生還可以通過本實驗掌握光譜測量的基本原理和方法。

(二)增加了色度學的知識與實驗內容。色度學是光源與照明專業中與光度學并重的一個分支，而且在傳統的專業課教學以及實驗教學中，往往對色度學方面沒有給予足夠的重視，使學生對光源顏色的概念比較模糊。然而，隨著社會的發展，人們對照明的要求逐步提高，往往不限于只是滿足亮度要求，而是對光源顏色也非常重視，并衍生出一個專門的分支——環境照明設計。因此，本實驗的改進與擴展可以使學生更加深入了解色度學，特別是混色原理的基礎知識，以及相關的實驗手段。

(三)有利于開放式實驗的開設。開放式實驗教學模式給了學生很大的自主性，但是對實驗儀器的功能也提出了很高的要求。俗話說:巧婦難為無米之炊。在進行開放性實驗教學的過程中，必須保證實驗裝置的功能比較豐富，這樣學生才能夠在足夠的條件下充分發揮開拓性思維，以自己的思路去設計并完成實驗內容。

(四)可進行定量的混色實驗。在增加了光譜測試裝置后，學生在三基色熒光粉產生白光的實驗過程中，可以定量測量不同配比下熒光粉的光色特性，而不是像往常一樣只是通過肉眼來判斷。而且，在配色過程中，可以讓學生充分感受紅、綠、藍三種顏色的比例對整體顏色的影響，進一步加深混色理論以及色溫方面知識的理解。

圖2 藍光激發黃色LED熒光粉光譜圖

四、實驗測試與數據分析

(一)實驗內容。根據改進后的實驗裝置對熒光粉光致發光特性實驗的內容進行重新設置，使實驗內容更加豐富，以滿足應用型和創新型人才培養的要求。熒光粉光致發光特性實驗主要包含了藍光激發黃色LED熒光粉和紫外光激發三基色熒光粉兩個方面的內容。

1．藍光激發黃色LED熒光粉。一是測量藍色激發光的光譜特性;二是測量不同型號黃色LED熒光粉的相對亮度;三是測量不同型號黃色LED熒光粉的光譜特性，并研究熒光粉的發光顏色與光譜數據的關系。

2．紫外光激發三基色熒光粉。一是測量紫外激發光的光譜特性;二是分別測量紅、綠、藍三種顏色熒光粉的相對亮度;三是分別測量紅、綠、藍三種顏色熒光粉的光譜特性;四是將紅、綠、藍三種顏色的熒光粉按照一定比例混合，并用肉眼觀測其混色效果，以獲得純白光發射;五是將紅、綠、藍三種顏色的熒光粉按照一定比例混合，通過觀測發射光的光譜特性來判斷是否符合純白光輸出要求，并研究不同類型熒光粉的比例對白光純度的影響;六是探索一種根據光譜分布進行配色的實驗方法。

圖3 紫外光激發三色熒光粉光譜圖

(二)數據分析。

1．藍光激發黃色LED熒光粉。白光LED的一種常用的配色方式是利用InGaN芯片所發出的藍光激發YAG粉末并獲得黃光，藍和黃兩種顏色的光按一定比例混合后，可得到所需的不同色溫的白光［4］。首先測量藍色激發光的光譜，然后將黃色熒光粉放置于樣品盤上并測量其發射光的光譜。實驗數據如圖2所示，其中(a)、(b)兩圖對應的樣品型號分別為Y006和Y0901。從圖中可以清晰看出，藍色激發光的中心波長為460nm，黃色發射光的中心波長為558nm，兩種顏色的光混合后可獲得白光輸出。對于Y006，由于其黃光部分的比例較大，而且偏向紅光方向，所以從肉眼看來其產生的白光色溫偏低。對于Y0901，由于藍光部分比例較大，所以色溫較高。

2．紫外光激發三色熒光粉。熒光燈發出白光的一種常用的方法是利用紫外光激發紅、綠、藍三基色的熒光粉，通過混色后產生白光，并可通過調整三種熒光粉的比例來調節色溫［5］。圖3是利用實驗裝置中的紫外燈激發紅、綠、藍三基色熒光粉的光譜圖，其中(a)圖對應的紅、綠、藍熒光粉的比例為1:1:0．5，而(b)圖對應的紅、綠、藍熒光粉的比例為1:1:1。從圖中可以看出，當藍色熒光粉的分量較少時，中心波長為463nm的藍光比例也較少，而且通過肉眼觀測可看出所發出的白光偏紅，也就是對應著色溫較低的情形。而當藍色熒光粉的比例提高后，光譜中藍光的峰值強度也隨之增大，出射光的色溫也增加了。

由上述實驗內容和實驗結果可見，傳統的熒光粉光致發光實驗中，對于配色控制只能通過肉眼觀測來完成。但是，在改進后的實驗中，可以利用光譜儀準確測量每種顏色的強度比例，從而為混色過程提供了嚴謹的依據。

五、結語

熒光粉光致發光特性實驗作為光源與照明專業實驗中核心的實驗內容之一，使學生對LED和熒光燈的發光原理有進一步的了解，并且可以使學生更深入理解色度學中的混色原理及方法。然而傳統的實驗內容中缺少了光譜測量的環節，使學生沒法完成色度學方面的實驗，令本實驗失去了應有的意義。本文提出的對該實驗的改進，主要是在實驗裝置中增加了光譜儀，這將使實驗內容更加豐富，而且為混色過程提供了更加準確的依據。另外一方面，由于實驗裝置在功能上的進一步完善，使學生有更大的空間進行設計性實驗研究。

［1］鄭繼雨．光源與照明專業人才培養［J］．河北理工學院學報(社會科學版)，2003，3(8):43～46

［2］何志紅．面向市場需求進行光源與照明專業方向建設［J］．中國科技信息，2013，26(22):138～140

［3］劉義，唐緒兵，光明．光源與照明專業人才培養定位及課程體系研究［J］．安徽工業大學學報(社會科學版)，2014，31(1):112～113

［4］曾琦華，張信果，梁宏斌等．白光LED用熒光粉的研究進展［J］．中國稀土學報，2011，1(29):8～17

［5］王水婷．稀土化學與燈用三基色熒光粉的發展［J］．河南教育學院學報(自然科學版)，2002，2(11):35～37