Ученые из Дальневосточного федерального университета, в сотрудничестве с исследователями из российских и китайских научных учреждений, разработали композитный керамический люминофор, демонстрирующий устойчивость к высоким нагрузкам при воздействии лазерного излучения и обеспечивающий точную цветопередачу. Инновационный материал позволяет генерировать белое свечение, спектрально близкое к естественному дневному свету, и может быть использован в автомобильных фарах нового поколения, системах глубоководной съемки, аэрокосмической навигации и хирургическом оборудовании. Описание результатов исследования, которое было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), размещено в журнале Journal of Advanced Ceramics.
Лазерное освещение имеет ряд достоинств по сравнению с LED-технологией: его эффективность практически не снижается при повышении силы тока, а сами источники света характеризуются большей мощностью и яркостью. Высокоинтенсивные белые лазерные диоды востребованы при изготовлении автомобильных фар, прожекторов для авиационной и подводной техники, а также для выполнения поисково-спасательных операций. Однако распространенные коммерческие люминофоры (материалы, излучающие свет) имеют два основных недостатка: они сильно нагреваются при лазерной активации и не позволяют получить полноцветное освещение, имитирующее естественные оттенки.
Предложенное учеными решение заключается в создании материала, сочетающего термостойкий оксид алюминия и люминесцентный гранат гадолиния, алюминия и галлия, активированный ионами церия. Оксид алюминия выполняет функцию эффективного теплоотвода, что позволяет избежать перегрева материала при воздействии лазерного излучения высокой мощности. Изменяя соотношение алюминия и галлия в кристаллической структуре граната, исследователи способны точно регулировать цвет свечения. Наилучшие характеристики цветопередачи достигаются при замещении 10–20% атомов алюминия на атомы галлия – такая концентрация обеспечивает на 15% более высокий индекс цветопередачи, не снижая при этом яркость.
Проведенные исследования продемонстрировали, что новая керамика обладает значительно большей устойчивостью к нагреву при воздействии лазерного излучения по сравнению с коммерчески доступными люминофорами. Также было установлено, что при замене 50% и более атомов алюминия на галлий в составе материала проявляется эффект фосфоресценции, характеризующийся послесвечением, которое может длиться от 1 до 6 минут. Учет данного эффекта имеет значение при разработке автомобильных фар, где необходимо быстрое прекращение свечения.
Используя разработанный материал, исследователи изготовили опытный образец светового прибора и показали, что его цветовой диапазон напоминает естественный дневной свет. Благодаря этому, под его воздействием объекты выглядят более реалистично, чем при использовании обычных люминофоров, цвет которых может колебаться от зеленовато-желтого до холодного синего.
Новый керамический композит, прошедший разработку, может найти применение в автомобильной промышленности для изготовления фар нового поколения. Они будут излучать свет ярче и дальше, чем существующие модели, при этом оставаясь безопасными для зрения. Помимо этого, значительный интерес представляет использование материала в хирургической технике, где критически важна точная цветопередача, а также в системах для наблюдения на больших глубинах и в аэрокосмической навигации.
«Наша цель – разработать российскую технологию производства устройств, изменяющих цвет, с возможностью регулировки их оптико-термических свойств. Это необходимо для создания компактных, экономичных и мощных лазерных систем освещения. В перспективе мы намерены заняться проектированием лазерных источников освещения высокой мощности, начиная с определения наилучшей конструкции для подобных устройств» , — по словам руководителя проекта, директора научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы» ДВФУ, кандидата технических наук Дениса Косьянова .
В исследованиях были задействованы специалисты из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (Кольцово) и Шанхайского института керамики Китайской академии наук.
Сообщение поступило из пресс-службы Дальневосточного федерального университета