Исследователи Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из научных организаций России и Китая создали композитный керамический люминофор, способный выдерживать высокие нагрузки при лазерном возбуждении и обеспечивать качественную цветопередачу. Новый материал позволяет получать белое свечение, близкое по спектру к дневному свету, и может найти применение в автомобильных фарах нового поколения, системах глубоководного наблюдения, аэрокосмической навигации и хирургической технике. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Advanced Ceramics.
Лазерное освещение обладает рядом преимуществ перед светодиодным: его эффективность практически не падает при увеличении силы тока, а сами источники отличаются более высокой мощностью и яркостью. Сверхъяркие белые лазерные диоды востребованы при создании автомобильных фар, прожекторов для авиационной и подводной техники, а также для проведения поисково-спасательных работ. Однако широко используемые коммерческие люминофоры (материалы-излучатели) имеют два ключевых недостатка: они сильно перегреваются при возбуждении лазером и не позволяют добиться полноцветного освещения естественного оттенка.
Ученые предложили решение, объединив в одном материале два компонента: термостойкий оксид алюминия и люминесцентный гадолиний-алюминий-галлиевый гранат, активированный ионами церия. Оксид алюминия выступает в роли компонента, эффективно отводящего тепло из материала, тем самым предотвращая его перегрев при высоких мощностях лазерного излучения. В свою очередь, варьируя соотношение алюминия и галлия в кристаллической решетке граната, исследователи могут точно настраивать оттенок свечения. Оптимальные показатели цветопередачи достигаются при замене 10–20% атомов алюминия на атомы галлия — такой состав обеспечивает на 15% более высокий индекс цветопередачи без потери яркости.
Эксперименты показали, что у разработанной керамики устойчивость к нагреву при лазерном возбуждении в разы выше, чем у коммерческих люминофоров. Кроме того, авторы обнаружили, что при замещении 50% и более атомов алюминия на галлий в материале возникает эффект фосфоресценции (послесвечения), который может сохраняться до 1–6 минут. Это явление также важно учитывать при создании автомобильных фар, где требуется мгновенное отключение света.
На основе нового материала ученые создали прототип источника освещения и продемонстрировали, что его спектр близок к естественному дневному свету. Предметы под таким освещением выглядят более естественно по сравнению с традиционными люминофорами, цвет свечения которых варьируется от зелено-желтого до холодного синего.
Разработанный керамический композит может использоваться в автомобильной промышленности для создания фар нового поколения, которые светят ярче и дальше аналогов, оставаясь безопасными для глаз. Перспективными сферами также являются хирургическая техника, где врачу критически важна точная цветопередача, а также системы глубоководного наблюдения и аэрокосмическая навигация.
«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 разработав оптимальную архитектуру для таких устройств», — отмечает руководитель проекта, директор научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы» ДВФУ, кандидат технических наук Денис Косьянов.
В работе 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.
Информация предоставлена пресс-службой Дальневосточного федерального университета
Источник фото: ru.123rf.com
