激光照明中散斑对比度与激光及荧光粉特性的相关性研究

针对激光照明中因相干性导致的散斑问题，研究人员系统研究了不同激光源（单激光二极管与多激光模块）和荧光粉材料（YAG:Ce/β-SiAlON等）对白光散斑对比度的影响。发现激光特性（相干性/多模耦合）起主导作用，荧光粉转换效率(rph)和厚度次之。采用多激光模块可使散斑对比度降至0.02以下，为低散斑激光照明系统设计提供重要指导。

　　

在追求高亮度照明的道路上，激光光源因其远超LED的发光效率而备受瞩目。然而，激光与生俱来的相干性却带来一个恼人的问题——散斑。当这些高度有序的光波遇到粗糙表面或穿透荧光粉材料时，会像无数个小镜子般将光线随机散射，形成明暗相间的斑点图案。这种被称为"散斑"的现象不仅影响照明均匀性，还会导致视觉疲劳，成为激光照明技术走向普及的"拦路虎"。

面对这一挑战，来自丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的Ole Bjarlin Jensen团队在《Journal of Luminescence》发表重要研究成果。研究人员设计了一套精密的实验系统：采用两种典型蓝激光源（448nm单激光二极管与440nm八激光模块），通过单模/多模光纤传导，照射12种不同荧光粉材料（包括YAG:Ce单晶、复合陶瓷及磷光玻璃膜等）。利用无镜头的CMOS相机在30°角位置记录散射光强分布，结合空间高通滤波和统计学分析，量化了散斑对比度C与激光特性、荧光粉参数的关系。

关键技术方法包括：1）建立标准化散斑测量平台（含散射标准表面校准）；2）采用光谱仪测定激光线宽和相干长度；3）通过球面光谱辐射计测量荧光粉转换效率r_ph；4）基于公式C=σ_laser/μ_total×(1-r_ph)计算散斑对比度。

研究结果揭示多个重要发现：

1. 激光特性主导散斑形成

   单激光二极管因长相干长度（0.1mm）产生高达0.609的散斑对比度，而八激光模块通过非相干叠加和空间模混合，将对比度降至0.06。多模光纤的NA_MM=0.22特性进一步降低空间相干性。

2. 荧光粉参数的次要影响

   在单激光系统中，YAG:Ce单晶(SC)因双粗糙面散射表现出最高蓝光散斑对比度(0.4)。磷光玻璃膜(PiGF)系列显示：5μm粒径、60μm厚度、83%浓度组合的散斑对比度最优。β-SiAlON因转换效率低导致白光散斑对比度异常升高。

3. 转换效率的关键作用

   根据公式C∝(1-r_ph)，荧光粉将蓝光转化为黄光的效率r_ph直接影响白光质量。当r_ph>80%时，即使单激光系统的散斑对比度也可控制在0.05以下。

4. 人眼感知阈值验证

   实验证实当白光散斑对比度<0.03时（多激光模块典型值），人眼无法察觉散斑存在，满足通用照明需求。

这项研究为激光照明系统设计提供了明确指南：优先采用多激光模块（≥8个独立激光器）配合大芯径多模光纤传输；选择高转换效率(r_ph)、适当厚度（>60μm）的荧光粉材料；避免使用β-SiAlON等低效荧光体。这些发现不仅解决了激光照明的核心痛点，更为下一代超高清投影、汽车激光大灯等应用铺平了道路。正如研究者强调的，通过精准控制"光子的舞蹈"，我们终于能够驯服桀骜的散斑，让激光照明真正绽放光彩。