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白光激光，新的研究熱點(diǎn)

眾所周知， 激光是通過受激輻射產(chǎn)生的光放大，具有亮度高、方向性好、相干性強(qiáng)、單色性優(yōu)異的特點(diǎn)。正是由于這些異于普通光源的優(yōu)越性，造就了如今激光在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。但另一方面，激光作為單色光源，其光譜帶寬非常窄，使得單個(gè)激光器產(chǎn)生的色彩僅能覆蓋色度圖近邊界的區(qū)域的一個(gè)點(diǎn)（如圖1），而色度圖中心的大部分區(qū)域的色彩則需要通過復(fù)色光或多個(gè)激光共同實(shí)現(xiàn)，這其中就包含了白光。

圖1 1931 色度圖（圖片來源：CIE 1931）

白光作為一種復(fù)色光，廣泛的應(yīng)用于照明、顯示、成像、通訊等諸多領(lǐng)域。由于單色的激光無法直接產(chǎn)生白光，目前應(yīng)用領(lǐng)域的白光主要是：

1）通過諸如LED，白熾燈等非激光技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)；

2）借助多個(gè)不同顏色的激光混合產(chǎn)生；

3）利用超短脈沖和非線性介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。

能否創(chuàng)造一個(gè)單個(gè)器件或芯片，直接產(chǎn)生白光激光，使其兼具激光的優(yōu)良特性與白光的廣泛應(yīng)用前景，并覆蓋更廣泛的色彩區(qū)域，成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，也為半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。與此相應(yīng)，白光激光技術(shù)也成為一個(gè)重要的研究課題，以使得激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到拓寬，造福人類生活的更多方面。

白光激光實(shí)現(xiàn)方案的比較

目前白光激光的實(shí)現(xiàn)方案大致可分為兩類：

1通過光學(xué)非線性效應(yīng)產(chǎn)生超連續(xù)譜實(shí)現(xiàn)白光激光

非線性效應(yīng)產(chǎn)生白光激光的基本原理主要是利用超短脈沖激光在非線性介質(zhì)中產(chǎn)生的各種非線性效應(yīng)的組合，產(chǎn)生的一種在可見光范圍內(nèi)的超連續(xù)譜激光。由于該方案通常需要使用超快激光作為基頻輸入光，應(yīng)用成本十分昂貴，且無法適應(yīng)小型化與集成化的應(yīng)用場(chǎng)景。而非線性材料相較于半導(dǎo)體而言，其激光的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，一定程度上也阻礙了其在照明、顯示等諸多高需求領(lǐng)域的應(yīng)用。

另外，非線性方案所產(chǎn)生的超連續(xù)譜或高次諧波組，其光譜之間的相對(duì)強(qiáng)度在設(shè)計(jì)之初就已基本確定，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)各光譜組分相對(duì)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)控制，因而難以對(duì)出射激光色彩進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)控，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展與推廣。

2基于紅綠藍(lán)色激光合成實(shí)現(xiàn)白光激光

將紅、綠、藍(lán)（RGB）三色或多色激光合成實(shí)現(xiàn)白光激光是目前在研究領(lǐng)域采用較為普遍的方法。由于使用三基色混合，每一基色相對(duì)獨(dú)立可控，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)白光激光色彩與色溫的動(dòng)態(tài)控制，可以更靈活的應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，包括目前市場(chǎng)上的激光投影電視和激光多色顯示等?；赗GB三色合成白光激光方案的主要難點(diǎn)及不足在于，這些不同顏色的激光通常是單個(gè)加工制作并分立組裝，不易實(shí)現(xiàn)小型化與批量化集成，因而制作成本昂貴。

實(shí)現(xiàn)單體或單器件白光激光的難點(diǎn)

產(chǎn)生多色或白色激光源是科學(xué)家和工程師們長(zhǎng)期以來的目標(biāo)。關(guān)鍵的難點(diǎn)在于能否創(chuàng)造同時(shí)高效發(fā)出多色或紅綠藍(lán)基色的材料，以及將這些不同顏色的光在空間上區(qū)分并分別通過激光腔諧振放大為激光。膠體量子點(diǎn)是一個(gè)熟知的技術(shù)，但很難在空間上把各色量子點(diǎn)高效、準(zhǔn)確區(qū)分，以實(shí)現(xiàn)高效電注入。其它非半導(dǎo)體材料，諸如稀土參雜的二氧化硅等、染料參雜的有機(jī)聚合物、染料液滴等、面臨發(fā)光效率低，很難實(shí)現(xiàn)高效電子注入以及集成難度大等問題。而半導(dǎo)體材料具有高效率，易于電注入和易于集成等特點(diǎn)，一直是發(fā)光材料的首選。

而利用半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)白光激光，需要解決一個(gè)傳統(tǒng)的技術(shù)難題：由于發(fā)射不同顏色的半導(dǎo)體往往晶格尺寸差別太大，這種晶格不匹配使得通過薄膜外延法一次性生長(zhǎng)的這些不同顏色的半導(dǎo)體含有大量缺陷，造成晶體的光電質(zhì)量下降，而無法滿足材料的光學(xué)增益要求。其次，長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料會(huì)吸收短波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的發(fā)光，如果不能抑制不同半導(dǎo)體之間互相吸收其它材料發(fā)出的光，特別是短波長(zhǎng)（如藍(lán)色、綠色等）被窄帶半導(dǎo)體（如發(fā)紅光的半導(dǎo)體）所吸收，會(huì)導(dǎo)致激光器無法達(dá)到閾值以上，而難以形成激射。因此，如何解決這兩大技術(shù)難題，成為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的關(guān)鍵。

納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的誕生

2015年，由作者本人所在的亞利桑那州立大學(xué)和清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過幾年的不懈努力，克服了器件設(shè)計(jì)和材料生長(zhǎng)的多重難度，在《自然-納米技術(shù)》上發(fā)文報(bào)道了其在半導(dǎo)體白光激光技術(shù)上的突破。博士生樊帆、Sunay Turkdogan、劉志程等團(tuán)隊(duì)科研人員借助納米半導(dǎo)體技術(shù)，通過改變材料的生長(zhǎng)參數(shù)，將具有RGB發(fā)光性能的三部分不同組分的鋅鎘硫硒四元合金材料，以相互平行結(jié)構(gòu)方式（圖2），一次生長(zhǎng)成為厚度不到頭發(fā)絲直徑百分之一，長(zhǎng)寬僅為頭發(fā)絲約十分之一的單片半導(dǎo)體納米薄膜。

圖2 平行結(jié)構(gòu)RGB半導(dǎo)體納米薄片生長(zhǎng)示意圖以及產(chǎn)生的白光激光與多色激光（圖片來源：《Nature Nanotechnology》）

由于采用納米半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)，使得生長(zhǎng)的半導(dǎo)體在耐受晶格失配的同時(shí)又具有高品質(zhì)的光學(xué)性能，更適于對(duì)RGB半導(dǎo)體的集成。同時(shí)，相互平行的RGB結(jié)構(gòu)，形成了三個(gè)并行的激光腔，最大程度地抑制了長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料對(duì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料發(fā)光的吸收，為RGB各區(qū)域的同時(shí)激射，創(chuàng)造了可能。

團(tuán)隊(duì)科研人員通過抽運(yùn)納米薄片的RGB區(qū)域，并動(dòng)態(tài)的調(diào)整各區(qū)域之間的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度，首次在單片半導(dǎo)體介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了白光激光，并在全色彩范圍內(nèi)可調(diào)（圖2）。由于創(chuàng)造了單體半導(dǎo)體集成RGB增益材料，該白光激光器寬度僅為目前超分辨屏像元寬度的四分之一，亦可作為像元開創(chuàng)激光平板顯示的新領(lǐng)域。此外，通過進(jìn)一步調(diào)控生長(zhǎng)參數(shù)，該技術(shù)可將更多色的半導(dǎo)體區(qū)域集成在單片半導(dǎo)體的納米薄片上，從而更加豐富了其應(yīng)用價(jià)值。因此，該技術(shù)一經(jīng)發(fā)表，即被包括德國(guó)《明鏡周刊》在內(nèi)的世界多家媒體的廣泛報(bào)道，并被美國(guó)科技雜志《Popular Science》評(píng)選為當(dāng)年工程類年度十佳發(fā)明。

納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的應(yīng)用前景

納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的發(fā)明， 將有助于人們?cè)谡彰?、顯示和通信等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行全新的應(yīng)用設(shè)計(jì)和重大革新。

1白光激光照明技術(shù)

早在2013年，諾貝爾獎(jiǎng)得主中村修二便提出激光照明取代LED成為下一代固態(tài)照明技術(shù)的構(gòu)想。由于LED在高載流子注入的情況下，會(huì)出現(xiàn)發(fā)光效率下降，而激光照明則不受該限制。因此人們寄希望于利用激光照明突破LED所遇到的瓶頸。而更早之前，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)新墨西哥大學(xué)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的工作表明，通過將多個(gè)單色激光混合而形成的白光激光用于照明，測(cè)試者無法區(qū)分白光激光光源與傳統(tǒng)白熾燈及LED光源的區(qū)別（圖3）。換而言之，由多基色或單頻激光混合而成的白光激光，其對(duì)色彩的呈現(xiàn)質(zhì)量并不亞于傳統(tǒng)光源，從而打破了長(zhǎng)期以來人們認(rèn)為窄頻激光不適合做照明顯示的誤解。該研究為白光激光技術(shù)在固態(tài)照明領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。目前，由于直接實(shí)現(xiàn)集成式的純半導(dǎo)體白光激光的難度，激光照明技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展還僅限于利用藍(lán)光半導(dǎo)體激光激發(fā)熒光物質(zhì)而產(chǎn)生白光，并非真正意義上的白光激光。我相信，納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的出現(xiàn)將加速白光激光照明在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)。

圖3 多基色混合形成白光激光照明實(shí)驗(yàn)（圖片來源：《Optical Express》）

2激光顯示技術(shù)

鑒于優(yōu)良的單頻特性，激光作為基色光可以使得基色色彩更接近色度圖的邊緣，因而有助于覆蓋更廣泛的色域（圖4）。因此，激光顯示技術(shù)，相較于的傳統(tǒng)顯示技術(shù)（如LED背光LCD，OLED等），具有更好的色彩飽和度。另外，激光本身具有高亮度的特點(diǎn)，更易于實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度。正因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，激光顯示技術(shù)近些年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。但現(xiàn)有的激光顯示技術(shù)，還主要局限在將多個(gè)分立激光機(jī)械式封裝而成的激光投影技術(shù)，而并非利用激光直接做成顯示單元，其顯示效果受到周圍環(huán)境光強(qiáng)的影響，且成本昂貴，無法集成。納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的出現(xiàn)將有助于激光顯示實(shí)現(xiàn)從激光投影技術(shù)到激光平板技術(shù)的跨越。

圖4 激光顯示技術(shù)于傳統(tǒng)顯示技術(shù)光譜的色域比較（圖片來源：《Fabrication and Characterization of Semiconductor Nanolasers》）

3可見光無線通信技術(shù)

可見光無線通信（英文簡(jiǎn)稱LIFI），是利用照明光源調(diào)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線技術(shù)。由于照明光無處不在，且LED的調(diào)制速度可以比現(xiàn)有的基于微波的WIFI高很多，因此只需對(duì)現(xiàn)有的照明設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，即可通過LIFI技術(shù)，高速接入互聯(lián)網(wǎng)。而相較于LED，激光具有更高的調(diào)制速率（通常為L(zhǎng)ED的10-100倍），因而更適用于可見光無線通信領(lǐng)域。而白光激光，由于由多基色激光合成，可通過各基色的分別調(diào)制與復(fù)用，獲得更多通信帶寬，因而更具應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)見，隨著白光激光照明與顯示技術(shù)的發(fā)展與普及，基于白光激光的LIFI 技術(shù)，可得到更廣泛的推廣。

在成功實(shí)現(xiàn)納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)之后，我們目前正在向如何實(shí)現(xiàn)白光激光的電注入運(yùn)轉(zhuǎn)這一更實(shí)用化的目標(biāo)邁進(jìn)，同時(shí)團(tuán)隊(duì)也在積極探索該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。相信，在不遠(yuǎn)的將來，半導(dǎo)體白光激光技術(shù)，將如同激光技術(shù)一樣，走出實(shí)驗(yàn)室，走向千家萬戶。