白光激光，新的研究熱點

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、單色性優(yōu)異的特點。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)域的一個點（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)色光或多個激光共同實現(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)手段實現(xiàn)；

2）借助多個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)來實現(xiàn)。

能否創(chuàng)造一個單個器件或芯片，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，成為當今的研究熱點，也為半導(dǎo)體材料的生長提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。與此相應(yīng)，白光激光技術(shù)也成為一個重要的研究課題，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。

白光激光實現(xiàn)方案的比較

目前白光激光的實現(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，其光譜之間的相對強度在設(shè)計之初就已基本確定，很難實現(xiàn)對各光譜組分相對強度的實時控制，因而難以對出射激光色彩進行動態(tài)的調(diào)控，限制了其進一步的發(fā)展與推廣。

2基于紅綠藍色激光合成實現(xiàn)白光激光

將紅、綠、藍（RGB）三色或多色激光合成實現(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，每一基色相對獨立可控，易于實現(xiàn)對白光激光色彩與色溫的動態(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及不足在于，這些不同顏色的激光通常是單個加工制作并分立組裝，不易實現(xiàn)小型化與批量化集成，因而制作成本昂貴。

實現(xiàn)單體或單器件白光激光的難點

產(chǎn)生多色或白色激光源是科學(xué)家和工程師們長期以來的目標。關(guān)鍵的難點在于能否創(chuàng)造同時高效發(fā)出多色或紅綠藍基色的材料，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。膠體量子點是一個熟知的技術(shù)，但很難在空間上把各色量子點高效、準確區(qū)分，以實現(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、染料參雜的有機聚合物、染料液滴等、面臨發(fā)光效率低，很難實現(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，一直是發(fā)光材料的首選。

而利用半導(dǎo)體材料實現(xiàn)白光激光，需要解決一個傳統(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，長波長半導(dǎo)體材料會吸收短波長半導(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（如藍色、綠色等）被窄帶半導(dǎo)體（如發(fā)紅光的半導(dǎo)體）所吸收，會導(dǎo)致激光器無法達到閾值以上，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)科研團隊，經(jīng)過幾年的不懈努力，克服了器件設(shè)計和材料生長的多重難度，在《自然-納米技術(shù)》上發(fā)文報道了其在半導(dǎo)體白光激光技術(shù)上的突破。博士生樊帆、Sunay Turkdogan、劉志程等團隊科研人員借助納米半導(dǎo)體技術(shù)，通過改變材料的生長參數(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），一次生長成為厚度不到頭發(fā)絲直徑百分之一，長寬僅為頭發(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)體材料生長技術(shù)，使得生長的半導(dǎo)體在耐受晶格失配的同時又具有高品質(zhì)的光學(xué)性能，更適于對RGB半導(dǎo)體的集成。同時，相互平行的RGB結(jié)構(gòu)，形成了三個并行的激光腔，最大程度地抑制了長波長半導(dǎo)體材料對短波長半導(dǎo)體材料發(fā)光的吸收，為RGB各區(qū)域的同時激射，創(chuàng)造了可能。

團隊科研人員通過抽運納米薄片的RGB區(qū)域，并動態(tài)的調(diào)整各區(qū)域之間的相對發(fā)光強度，首次在單片半導(dǎo)體介質(zhì)上實現(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，通過進一步調(diào)控生長參數(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)用價值。因此，該技術(shù)一經(jīng)發(fā)表，即被包括德國《明鏡周刊》在內(nèi)的世界多家媒體的廣泛報道，并被美國科技雜志《Popular Science》評選為當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， 將有助于人們在照明、顯示和通信等多個領(lǐng)域進行全新的應(yīng)用設(shè)計和重大革新。

1白光激光照明技術(shù)

早在2013年，諾貝爾獎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，美國桑迪亞國家實驗室、美國新墨西哥大學(xué)和美國標準局的工作表明，通過將多個單色激光混合而形成的白光激光用于照明，測試者無法區(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，其對色彩的呈現(xiàn)質(zhì)量并不亞于傳統(tǒng)光源，從而打破了長期以來人們認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)用奠定了實驗基礎(chǔ)。目前，由于直接實現(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)域的實現(xiàn)。

圖3 多基色混合形成白光激光照明實驗（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，更易于實現(xiàn)高對比度。正因為這些優(yōu)勢，激光顯示技術(shù)近些年得到了長足的發(fā)展。但現(xiàn)有的激光顯示技術(shù)，還主要局限在將多個分立激光機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（英文簡稱LIFI），是利用照明光源調(diào)制進行數(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，因此只需對現(xiàn)有的照明設(shè)備進行升級，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LED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。可以預(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現(xiàn)白光激光的電注入運轉(zhuǎn)這一更實用化的目標邁進，同時團隊也在積極探索該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。相信，在不遠的將來，半導(dǎo)體白光激光技術(shù)，將如同激光技術(shù)一樣，走出實驗室，走向千家萬戶。