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蘇州納米所實現氧化硅氣凝膠在激光照明領域的高效率應用

發布時間:2021/11/5 16:14:59編輯:Ma Liang
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  固態照明(發光二極管LED、激光二極管LD)具有高效和使用壽命長等優點,有望取代傳統照明。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、結構緊湊等優點,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光源轉化為照明所需的三維立體均勻白光,仍然是一項緊迫而嚴峻的挑戰。
  中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同團隊通過精準調控氧化硅氣凝膠構筑單元的尺寸,控制光與不同尺寸構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)高于國際標準化組織對室內工作場所照明的要求;照度變化系數(CIV)低至 8.1%,遠低于商業散射材料;散斑對比度低于人眼識別極限(4%)。基于三基色激光器和商業熒光粉可實現包括白光在內的任意顏色照明。此外,該氧化硅氣凝膠可進一步應用于雨中、水下和遠距離非接觸式激光驅動照明,推動了激光照明的技術進步。
  根據瑞利-高斯理論,散射光強與氧化硅氣凝膠構筑單元直徑的三次方成正比。構筑單元尺寸越小,散射光強越低,透過率越高,激光照射樣品后會形成明亮光斑;構筑單元尺寸過大會造成散射光強過高,入射激光幾乎被全部反射;只有構筑單元尺寸在一定范圍內的氣凝膠才能散射激光從而用于照明。
  研究人員通過調控氧化硅氣凝膠制備過程中表面活性劑的濃度,從而精確控制了氧化硅氣凝膠構筑單元的尺寸。構筑單元尺寸不同,整體樣品的透明性會顯著不同。此外,獲得的氧化硅氣凝膠表現出典型的比表面積和孔徑分布特征,也具有優異的熱穩定性。以甲基三甲氧基硅烷為前驅體,不僅降低了獲得的氧化硅氣凝膠的交聯密度,而且提高了力學性能,可壓縮至自身尺寸的80%,壓縮強度大于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,計算出氣凝膠的直線透光率只有在合適的范圍內才有可能使激光不產生明亮光斑或全部被散射。利用分光光度計和積分球測試氣凝膠的直線透過率和背向散射率,并計算出前向散射率,最終確定構筑單元直徑位于24–40nm范圍內的氧化硅氣凝膠可用于高效激光照明。
  研究人員驗證了具有不同構筑單元尺寸的氧化硅氣凝膠用于激光照明的實際使用效果,并定量測量了其照度分布。當氣凝膠的構筑單元尺寸過大時(d>40nm),激光被氣凝膠全部反射(CIV=269.5%);當氣凝膠的構筑單元尺寸過小時(d<24nm),激光透過氣凝膠形成明亮的光斑(CIV=168.6%);只有當氣凝膠的構筑單元尺寸合適時(24nm<d<40nm)才能均勻散射激光而不產生光斑(CIV=79.2%,)。為了進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,成功攻克背散射強度大于前散射強度這一技術瓶頸,得到的CIV僅為9.1%,分別達到商業毛玻璃和聚合物散射板的1/27和1/15,并且散斑對比度低于4%。
  精細調控的氧化硅氣凝膠可用于不同波長的激光散射。作者基于三基色激光器和商業熒光粉實現了包括白光在內的任意顏色照明,并且照度均勻度高于國際標準化組織對室內工作場所照明的要求。由于氣凝膠的超疏水性和激光的準直性,其可進一步應用于雨中、水下和遠距離非接觸式激光驅動照明,也可利用光纖實現激光跨越障礙物照明。
  相關工作發表在《先進材料》上。該研究工作獲得國家自然科學基金和英國皇家學會–牛頓高級學者基金等的資助。
 

微信號:ayiwangapp17

(來源: 中國科學院科技產業網 )

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