荧光粉光致发光特性实验的改进与探索

□樊 婷 谢嘉宁 吕健滔

谢嘉宁，吕健滔;佛山科学技术学院理学院

一、引言

光源与照明专业作为21世纪我国高等教育的重点发展新兴学科，对培养光电类应用型人才有着重要的意义。目前对光源与照明专业人才的培养标准比较高，不但要求具备扎实的理论基础，还要求具有较强的实践操作能力和创新能力。为了实现这一培养目标，学校在人才培养计划中设置了大量的实验和实践环节，旨在使学生既可通过实验教学巩固理论知识，又可以提高实践操作技能。因此，实验的内容与开展方式显得尤为重要，只有不断提高专业实验的开设质量，才能实现应用型人才的培养目标［1，3］。本文重点讨论如何丰富专业实验内容，并以荧光粉光致发光特性实验作为例子，讨论具体的实现措施。

二、传统荧光粉光致发光特性实验的不足

传统荧光粉光致发光特性实验一般包括两个实验内容:蓝光激发黄色LED荧光粉和紫外光激发三基色荧光粉。由于实验只配备了激发装置和光强测试仪，因此整个实验只能围绕荧光粉的相对发光强度来展开，实验内容非常有限，可扩展性也差。

(一)实验内容单一。由于实验所配备的仪器有限，只包含了激发装置和光强测试仪，因此学生只能测量荧光粉的相对亮度。实验内容过于单一，信息量也少，学生无法通过实验了解更多知识。

(二)未能体现出荧光粉发光特性的核心内容。由光源的基本原理可知，除了发光强度之外，光的颜色等参数也是灯具设计的重要因素。特别是对于LED和荧光灯照明，发光颜色在很多场合都显得尤为重要。因此，荧光粉的光致发光实验必须包含色度学方面的内容，但实际上，荧光粉的光致发光试验并未体现出荧光粉发光特性的核心内容。

(三)实验内容难以扩展，不利于提高学生的设计能力。由于实验装置功能有限，对于实验内容的扩展也只能多测几种不同类型的荧光粉，但意义不大，没法锻炼学生的设计性思维。

(四)不能对白光合成过程进行定量控制。对于紫外光激发三色荧光粉的实验内容，要求学生将红、绿、蓝三种荧光粉以一定比例进行混合，以获得白光。在传统实验中对白光的合成效果只能通过眼睛观测，但这种方法属于定性判断，缺乏严谨性和准确性。

三、荧光粉光致发光特性实验的改进与优点

鉴于传统荧光粉光致发光特性实验存在着内容单一，扩展性差，难以锻炼学生的设计能力等方面的不足，拟对实验进行改进——增加一台光纤光谱仪，以实现对荧光粉的发光光谱进行测量，这对实验内容是极大的丰富，而且还能够对荧光粉的一个重要参数——颜色进行定量测量。这一改进也为实验提供了很大的扩展空间，满足开放式实验的设计要求。实验选用荷兰Avantes公司的AvaSpec-2048系列光纤光谱仪，并将光纤头置于激发装置专用的采集孔内，通过调整光纤头与样品架的距离，以保证最佳的采集效果。光纤光谱仪通过微型计算机进行控制与数据采集，使学生可以实时观测结果，并可方便地进行数据保存与分析，实验系统原理图如图1所示，改良后的实验主要有以下几方面的优点。

图1 实验系统原理图

(一)实验内容丰富。由于增加了光谱测量的装置与内容，学生在实验过程中除了研究荧光粉的发光强度和发光效率之外，还可以测量荧光粉的发光颜色。另外，学生还可以通过本实验掌握光谱测量的基本原理和方法。

(二)增加了色度学的知识与实验内容。色度学是光源与照明专业中与光度学并重的一个分支，而且在传统的专业课教学以及实验教学中，往往对色度学方面没有给予足够的重视，使学生对光源颜色的概念比较模糊。然而，随着社会的发展，人们对照明的要求逐步提高，往往不限于只是满足亮度要求，而是对光源颜色也非常重视，并衍生出一个专门的分支——环境照明设计。因此，本实验的改进与扩展可以使学生更加深入了解色度学，特别是混色原理的基础知识，以及相关的实验手段。

(三)有利于开放式实验的开设。开放式实验教学模式给了学生很大的自主性，但是对实验仪器的功能也提出了很高的要求。俗话说:巧妇难为无米之炊。在进行开放性实验教学的过程中，必须保证实验装置的功能比较丰富，这样学生才能够在足够的条件下充分发挥开拓性思维，以自己的思路去设计并完成实验内容。

(四)可进行定量的混色实验。在增加了光谱测试装置后，学生在三基色荧光粉产生白光的实验过程中，可以定量测量不同配比下荧光粉的光色特性，而不是像往常一样只是通过肉眼来判断。而且，在配色过程中，可以让学生充分感受红、绿、蓝三种颜色的比例对整体颜色的影响，进一步加深混色理论以及色温方面知识的理解。

图2 蓝光激发黄色LED荧光粉光谱图

四、实验测试与数据分析

(一)实验内容。根据改进后的实验装置对荧光粉光致发光特性实验的内容进行重新设置，使实验内容更加丰富，以满足应用型和创新型人才培养的要求。荧光粉光致发光特性实验主要包含了蓝光激发黄色LED荧光粉和紫外光激发三基色荧光粉两个方面的内容。

1．蓝光激发黄色LED荧光粉。一是测量蓝色激发光的光谱特性;二是测量不同型号黄色LED荧光粉的相对亮度;三是测量不同型号黄色LED荧光粉的光谱特性，并研究荧光粉的发光颜色与光谱数据的关系。

2．紫外光激发三基色荧光粉。一是测量紫外激发光的光谱特性;二是分别测量红、绿、蓝三种颜色荧光粉的相对亮度;三是分别测量红、绿、蓝三种颜色荧光粉的光谱特性;四是将红、绿、蓝三种颜色的荧光粉按照一定比例混合，并用肉眼观测其混色效果，以获得纯白光发射;五是将红、绿、蓝三种颜色的荧光粉按照一定比例混合，通过观测发射光的光谱特性来判断是否符合纯白光输出要求，并研究不同类型荧光粉的比例对白光纯度的影响;六是探索一种根据光谱分布进行配色的实验方法。

图3 紫外光激发三色荧光粉光谱图

(二)数据分析。

1．蓝光激发黄色LED荧光粉。白光LED的一种常用的配色方式是利用InGaN芯片所发出的蓝光激发YAG粉末并获得黄光，蓝和黄两种颜色的光按一定比例混合后，可得到所需的不同色温的白光［4］。首先测量蓝色激发光的光谱，然后将黄色荧光粉放置于样品盘上并测量其发射光的光谱。实验数据如图2所示，其中(a)、(b)两图对应的样品型号分别为Y006和Y0901。从图中可以清晰看出，蓝色激发光的中心波长为460nm，黄色发射光的中心波长为558nm，两种颜色的光混合后可获得白光输出。对于Y006，由于其黄光部分的比例较大，而且偏向红光方向，所以从肉眼看来其产生的白光色温偏低。对于Y0901，由于蓝光部分比例较大，所以色温较高。

2．紫外光激发三色荧光粉。荧光灯发出白光的一种常用的方法是利用紫外光激发红、绿、蓝三基色的荧光粉，通过混色后产生白光，并可通过调整三种荧光粉的比例来调节色温［5］。图3是利用实验装置中的紫外灯激发红、绿、蓝三基色荧光粉的光谱图，其中(a)图对应的红、绿、蓝荧光粉的比例为1:1:0．5，而(b)图对应的红、绿、蓝荧光粉的比例为1:1:1。从图中可以看出，当蓝色荧光粉的分量较少时，中心波长为463nm的蓝光比例也较少，而且通过肉眼观测可看出所发出的白光偏红，也就是对应着色温较低的情形。而当蓝色荧光粉的比例提高后，光谱中蓝光的峰值强度也随之增大，出射光的色温也增加了。

由上述实验内容和实验结果可见，传统的荧光粉光致发光实验中，对于配色控制只能通过肉眼观测来完成。但是，在改进后的实验中，可以利用光谱仪准确测量每种颜色的强度比例，从而为混色过程提供了严谨的依据。

五、结语

荧光粉光致发光特性实验作为光源与照明专业实验中核心的实验内容之一，使学生对LED和荧光灯的发光原理有进一步的了解，并且可以使学生更深入理解色度学中的混色原理及方法。然而传统的实验内容中缺少了光谱测量的环节，使学生没法完成色度学方面的实验，令本实验失去了应有的意义。本文提出的对该实验的改进，主要是在实验装置中增加了光谱仪，这将使实验内容更加丰富，而且为混色过程提供了更加准确的依据。另外一方面，由于实验装置在功能上的进一步完善，使学生有更大的空间进行设计性实验研究。

［1］郑继雨．光源与照明专业人才培养［J］．河北理工学院学报(社会科学版)，2003，3(8):43～46

［2］何志红．面向市场需求进行光源与照明专业方向建设［J］．中国科技信息，2013，26(22):138～140

［3］刘义，唐绪兵，光明．光源与照明专业人才培养定位及课程体系研究［J］．安徽工业大学学报(社会科学版)，2014，31(1):112～113

［4］曾琦华，张信果，梁宏斌等．白光LED用荧光粉的研究进展［J］．中国稀土学报，2011，1(29):8～17

［5］王水婷．稀土化学与灯用三基色荧光粉的发展［J］．河南教育学院学报(自然科学版)，2002，2(11):35～37