Предложен способ сделать полноцветное лазерное освещение

Образец керамического люминофора перед исследованием на синхротроне

© Алексей Завьялов / Из личного архива

Исследователи усовершенствовали материал для лазерных источников света. В его основу лег керамический композит из термостойкого оксида алюминия и люминесцентного (светящегося) гадолиний-алюминий-галлиевого граната, содержащего ионы церия. Такой материал оказался устойчивее к нагреву, чем коммерческие люминофоры. Более того, атомы галлия в составе граната обеспечили на 15% более высокий индекс цветопередачи без потери яркости. Источники белого лазерного освещения на основе предложенного материала могут найти широкое применение в системах глубоководного наблюдения, аэрокосмической навигации и других сферах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Advanced Ceramics.

Лазерное освещение имеет ряд преимуществ по сравнению со светодиодным: его эффективность практически не падает при увеличении силы тока; оно более мощное и яркое. Поэтому сверхъяркие белые лазерные диоды привлекают все больший интерес — для создания автомобильных фар ближнего и дальнего света, прожекторов для авиа-, подводных и надводных аппаратов, а также для проведении поисково-спасательных работ. Вместе с тем широкодоступные коммерческие зелено-желтые материалы-излучатели (люминофоры) не позволяют добиться полноцветного освещения, то есть света естественного оттенка (близкого к солнечному). Проблема этих материалов заключается еще и в том, что они сильно перегреваются при возбуждении лазером. В результате яркость и контрастность источника падают, а материал быстро разрушается.

Ученые из Дальневосточного федерального университета (Владивосток) с коллегами разработали композитный керамический люминофор, состоящий из двух компонентов (фаз): термостойкого оксида алюминия и люминесцентного гадолиний-алюминий-галлиевого граната, дополнительно содержащего небольшое количество ионов церия.

Этот материал интересен тем, что позволяет настраивать оттенок свечения в зависимости от соотношения алюминия и галлия в кристаллической решетке граната. Например, при замене 10–20% атомов алюминия на атомы галлия цветопередача материала достигает максимума, а более высокое содержание галлия приводит к ухудшению люминесцентных свойств. Авторы добавили к гранату в качестве второй фазы оксид алюминия, поскольку он помогает лучше отводить тепло. В результате материал не перегревается при высоких мощностях возбуждения лазером.

Также исследователи показали, что при замещении 50% и более атомов алюминия на атомы галлия в материале наблюдается явление фосфоресценции (послесвечения), когда люминофор продолжает светиться после воздействия лазером в течение 1–6 минут. Это плохо, если рассматривать материал в автомобильном освещении, где требуется мгновенное отключение фар. Авторы «настроили» кристаллическую структуру граната с помощью атомов галлия так, чтобы керамика имела оптимальные параметры светоотдачи и индекса цветопередачи. Кроме того, устойчивость к нагреву при возбуждении у материала оказалась в разы выше, чем у коммерческих люминофоров.

Исследователи создали прототип источника освещения на основе нового материала и показали, что его свет по спектру близок к обычному дневному. Благодаря улучшенной цветопередаче предметы под таким светом выглядят более естественно, чем при использовании люминофоров других составов, у которых цвет варьируется от зелено-желтого до холодного синего. Разработанный материал потенциально может использоваться в автомобильной промышленности для производства фар нового поколения, которые светят ярче и дальше аналогов и при этом безопасны для глаз. Также он может найти применение в хирургической технике, где врачу требуется точная цветопередача во время операции.

«Мы стремимся создать отечественную технологию изготовления преобразователей цвета с регулируемыми оптико-термическими характеристиками для компактных, энергоэффективных и высокомощных лазерных источников освещения. В дальнейшем мы планируем перейти к конструированию источников высокомощного лазерного освещения: в первую очередь нужно будет разработать оптимальную архитектуру для таких устройств», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Денис Косьянов, кандидат технических наук, директор НОЦ «Передовые керамические материалы» Политехнического института Дальневосточного федерального университета.

В исследовании принимали участие сотрудники Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (Кольцово) и Шанхайского института керамики Китайской академии наук (Китай).

Источник: indicator.ru