固態(tài)照明(發(fā)光二極管LED、激光二極管LD)具有高效和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),有望取代傳統(tǒng)照明。輸出功率隨輸入功率線性增加的LD不僅效率可與LED相媲美,還兼具照射距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),有可能成為下一代照明光源。但是如何將高度匯聚的單色LD光源轉(zhuǎn)化為照明所需的三維立體均勻白光,仍然是一項(xiàng)緊迫而嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元的尺寸,控制光與不同尺寸構(gòu)筑單元的選擇性相互作用,連同沿入射光方向故意制造的深孔,使得氧化硅氣凝膠散射激光的照度均勻度(0.770–0.862)高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)室內(nèi)工作場(chǎng)所照明的要求;照度變化系數(shù)(CIV)低至 8.1%,遠(yuǎn)低于商業(yè)散射材料;散斑對(duì)比度低于人眼識(shí)別極限(4%)?;谌す馄骱蜕虡I(yè)熒光粉可實(shí)現(xiàn)包括白光在內(nèi)的任意顏色照明。此外,該氧化硅氣凝膠可進(jìn)一步應(yīng)用于雨中、水下和遠(yuǎn)距離非接觸式激光驅(qū)動(dòng)照明,推動(dòng)了激光照明的技術(shù)進(jìn)步。

根據(jù)瑞利-高斯理論,散射光強(qiáng)與氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元直徑的三次方成正比。構(gòu)筑單元尺寸越小,散射光強(qiáng)越低,透過(guò)率越高,激光照射樣品后會(huì)形成明亮光斑;構(gòu)筑單元尺寸過(guò)大會(huì)造成散射光強(qiáng)過(guò)高,入射激光幾乎被全部反射;只有構(gòu)筑單元尺寸在一定范圍內(nèi)的氣凝膠才能散射激光從而用于照明。

研究人員通過(guò)調(diào)控氧化硅氣凝膠制備過(guò)程中表面活性劑的濃度,從而精確控制了氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元的尺寸。構(gòu)筑單元尺寸不同,整體樣品的透明性會(huì)顯著不同。此外,獲得的氧化硅氣凝膠表現(xiàn)出典型的比表面積和孔徑分布特征,也具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。以甲基三甲氧基硅烷為前驅(qū)體,不僅降低了獲得的氧化硅氣凝膠的交聯(lián)密度,而且提高了力學(xué)性能,可壓縮至自身尺寸的80%,壓縮強(qiáng)度大于1 MPa。由于氧化硅氣凝膠骨架中含有豐富的甲基,賦予了獲得的氣凝膠的超疏水性,被污水浸泡后依然能夠“出淤泥而不染”。

氧化硅氣凝膠吸光率低于1%,激光損傷閾值高達(dá)10.29J·cm-2,可承受高功率密度激光輻射。作者利用理想模型,計(jì)算出氣凝膠的直線透光率只有在合適的范圍內(nèi)才有可能使激光不產(chǎn)生明亮光斑或全部被散射。利用分光光度計(jì)和積分球測(cè)試氣凝膠的直線透過(guò)率和背向散射率,并計(jì)算出前向散射率,最終確定構(gòu)筑單元直徑位于24–40nm范圍內(nèi)的氧化硅氣凝膠可用于高效激光照明。

研究人員驗(yàn)證了具有不同構(gòu)筑單元尺寸的氧化硅氣凝膠用于激光照明的實(shí)際使用效果,并定量測(cè)量了其照度分布。當(dāng)氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸過(guò)大時(shí)(d>40nm),激光被氣凝膠全部反射(CIV=269.5%);當(dāng)氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸過(guò)小時(shí)(d<24nm),激光透過(guò)氣凝膠形成明亮的光斑(CIV=168.6%);只有當(dāng)氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸合適時(shí)(24nm<d<40nm)才能均勻散射激光而不產(chǎn)生光斑(CIV=79.2%,)。為了進(jìn)一步提高散射均勻性,降低CIV,作者在氣凝膠表面沿入射光方向造孔,成功攻克背散射強(qiáng)度大于前散射強(qiáng)度這一技術(shù)瓶頸,得到的CIV僅為9.1%,分別達(dá)到商業(yè)毛玻璃和聚合物散射板的1/27和1/15,并且散斑對(duì)比度低于4%。

精細(xì)調(diào)控的氧化硅氣凝膠可用于不同波長(zhǎng)的激光散射。作者基于三基色激光器和商業(yè)熒光粉實(shí)現(xiàn)了包括白光在內(nèi)的任意顏色照明,并且照度均勻度高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)室內(nèi)工作場(chǎng)所照明的要求。由于氣凝膠的超疏水性和激光的準(zhǔn)直性,其可進(jìn)一步應(yīng)用于雨中、水下和遠(yuǎn)距離非接觸式激光驅(qū)動(dòng)照明,也可利用光纖實(shí)現(xiàn)激光跨越障礙物照明。

相關(guān)工作發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。該研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)–牛頓高級(jí)學(xué)者基金等的資助。

氧化硅氣凝膠在激光照明領(lǐng)域的高效率應(yīng)用

激光與具有不同構(gòu)筑單元尺寸的氧化硅氣凝膠之間的相互作用

氧化硅氣凝膠在激光照明領(lǐng)域的高效率應(yīng)用

二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能

氧化硅氣凝膠在激光照明領(lǐng)域的高效率應(yīng)用

氧化硅氣凝膠作為漫散射體的激光驅(qū)動(dòng)照明的具體應(yīng)用

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