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等優(yōu)點,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、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)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(zhuǎn)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(zhàn)。
中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學同團隊通過精準調(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)高于國際標準化組織對室內(nèi)工作場所照明的要求;照度變化系數(shù)(CIV)低至 8.1%,遠低于商業(yè)散射材料;散斑對比度低于人眼識別極限(4%)?;谌す馄骱蜕虡I(yè)熒光粉可實現(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一步應用于雨中、水下和遠距離非接觸式激光驅(qū)動照明,推動了激光照明的技術(shù)進步。
根據(jù)瑞利-高斯理論,散射光強與氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元直徑的三次方成正比。構(gòu)筑單元尺寸越小,散射光強越低,透過率越高,激光照射樣品后會形成明亮光斑;構(gòu)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(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。
研究人員通過調(diào)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(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(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(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際使用效果,并定量測量了其照度分布。當氣凝膠的構(gòu)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(gòu)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(gòu)筑單元尺寸合適時(24nm<d<40nm)才能均勻散射激光而不產(chǎn)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(shù)瓶頸,得到的CIV僅為9.1%,分別達到商業(yè)毛玻璃和聚合物散射板的1/27和1/15,并且散斑對比度低于4%。
精細調(diào)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(yè)熒光粉實現(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際標準化組織對室內(nèi)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(qū)動照明,也可利用光纖實現(xiàn)激光跨越障礙物照明。
相關(guān)工作發(fā)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。
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
二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能
氧化硅氣凝膠作為漫散射體的激光驅(qū)動照明的具體應用