我国学者在大功率光源器件用近红外无机发光材料研究方面取得进展

图 （a）MgO:x%Cr³⁺(x = 0-0.3)近红外荧光透明陶瓷的照片；（b-c）封装得到的大功率宽带近红外光源的器件结构示意图及点亮后的照片；（d）不同功率蓝光LD激发下的近红外输出功率和陶瓷表面温度

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51972118）资助下，华南理工大学夏志国教授团队在大功率光源器件用近红外无机发光材料研究方面取得进展。相关研究成果以“激光驱动的瓦级宽带近红外光源（Laser-Driven Broadband Near-Infrared Light Source with Watt-Level Output）”为题，于2024年3月1日发表在《自然•光子学》（Nature Photonics）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01400-7。

　　宽带近红外（NIR）光谱技术在光学相干断层扫描、疾病诊断和治疗、探测成像和定量成分检测等领域具有广阔的应用前景。高性能NIR光源是制造上述光谱探测器的关键，特别是业界一直亟需大功率NIR补光光源。近年来，基于蓝光发光二极管（LED）和近红外发光材料的荧光转换型LED（pc-LED）光源表现出可调谐的高效、宽带近红外发射，成为研究热点。但是，pc-LED光源所用到的LED芯片和有机树脂分别受制于“效率骤降”和导热性差（~ 0.5 W·m^-1·K^-1），导致最高输出功率仅在0.5 W量级，难以满足更远距离的NIR补光需求和更深层组织的无损检测及成像。与此同时，常用的稀土及过渡金属离子掺杂宽带近红外发光材料伴随有严重的非辐射弛豫，这一现象被称为“能隙率”并一直困扰着光子学界和新材料的研制。因此，亟待开发新型高效、高稳定性的近红外无机发光材料，特别是能有效抑制非辐射弛豫，实现大功率宽带近红外输出，进而推动近红外光谱技术的产业化进程。

　　在前期研究基础上，该研究团队制备了MgO:Cr³⁺荧光透明陶瓷（图），获得峰值810 nm、外量子效率高达81%的宽带近红外发光。Cr³⁺离子在Mg²⁺位点的异价取代使得结构中存在丰富的镁空位（V_Mg′′），形成了具有不同局域环境的Cr³⁺发光中心，导致光谱可以由724 nm的锐线发射调控至810 nm的宽带发射。随着温度的升高，多个Cr³⁺发光中心之间存在显著的声子辅助激发态能量传递过程，弥补了长波长发射的非辐射弛豫，克服了能隙率的影响。进一步得益于荧光透明陶瓷所具有的52 W·m^-1·K^-1的超高导热率，在22 W/mm²蓝光激光二极管（LD）泵浦下，获得了超过6 W的宽带近红外输出功率，光转换效率29%。采用这种激光荧光近红外光源搭建的原型器件，可穿透3 mm厚的不透光硬纸板，实现剪刀样品成像，分辨率为6 lp/mm，这种激光驱动的近红外探测/成像光源将在夜视补光、生物医学等领域具有广泛应用前景。

　　该研究工作通过异价掺杂引入阳离子空位调控发光中心局域结构，制备了无机近红外荧光透明陶瓷，并借助第一性原理计算明晰了声子辅助激发态能量传递对高稳定性近红外发光的作用机制，为激光驱动的大功率宽带NIR光源的材料创制与器件应用探索提供了一定的研究基础。