白光激光，新的研究熱點

眾(zhong) 所周知， 激光是通過受激輻射產(chan) 生的光放大，具有亮度高、方向性好、相幹性強、單色性優(you) 異的特點。正是由於(yu) 這些異於(yu) 普通光源的優(you) 越性，造就了如今激光在各個(ge) 領域的廣泛應用。但另一方麵，激光作為(wei) 單色光源，其光譜帶寬非常窄，使得單個(ge) 激光器產(chan) 生的色彩僅(jin) 能覆蓋色度圖近邊界的區域的一個(ge) 點（如圖1），而色度圖中心的大部分區域的色彩則需要通過複色光或多個(ge) 激光共同實現，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(wei) 一種複色光，廣泛的應用於(yu) 照明、顯示、成像、通訊等諸多領域。由於(yu) 單色的激光無法直接產(chan) 生白光，目前應用領域的白光主要是：

1）通過諸如LED，白熾燈等非激光技術手段實現；

2）借助多個(ge) 不同顏色的激光混合產(chan) 生；

3）利用超短脈衝(chong) 和非線性介質來實現。

能否創造一個(ge) 單個(ge) 器件或芯片，直接產(chan) 生白光激光，使其兼具激光的優(you) 良特性與(yu) 白光的廣泛應用前景，並覆蓋更廣泛的色彩區域，成為(wei) 當今的研究熱點，也為(wei) 半導體(ti) 材料的生長提出了嚴(yan) 峻的挑戰。與(yu) 此相應，白光激光技術也成為(wei) 一個(ge) 重要的研究課題，以使得激光應用領域不斷得到拓寬，造福人類生活的更多方麵。

白光激光實現方案的比較

目前白光激光的實現方案大致可分為(wei) 兩(liang) 類：

1通過光學非線性效應產(chan) 生超連續譜實現白光激光

非線性效應產(chan) 生白光激光的基本原理主要是利用超短脈衝(chong) 激光在非線性介質中產(chan) 生的各種非線性效應的組合，產(chan) 生的一種在可見光範圍內(nei) 的超連續譜激光。由於(yu) 該方案通常需要使用超快激光作為(wei) 基頻輸入光，應用成本十分昂貴，且無法適應小型化與(yu) 集成化的應用場景。而非線性材料相較於(yu) 半導體(ti) 而言，其激光的轉換效率相對較低，一定程度上也阻礙了其在照明、顯示等諸多高需求領域的應用。

另外，非線性方案所產(chan) 生的超連續譜或高次諧波組，其光譜之間的相對強度在設計之初就已基本確定，很難實現對各光譜組分相對強度的實時控製，因而難以對出射激光色彩進行動態的調控，限製了其進一步的發展與(yu) 推廣。

2基於(yu) 紅綠藍色激光合成實現白光激光

將紅、綠、藍（RGB）三色或多色激光合成實現白光激光是目前在研究領域采用較為(wei) 普遍的方法。由於(yu) 使用三基色混合，每一基色相對獨立可控，易於(yu) 實現對白光激光色彩與(yu) 色溫的動態控製，可以更靈活的應用於(yu) 諸多領域，包括目前市場上的激光投影電視和激光多色顯示等。基於(yu) RGB三色合成白光激光方案的主要難點及不足在於(yu) ，這些不同顏色的激光通常是單個(ge) 加工製作並分立組裝，不易實現小型化與(yu) 批量化集成，因而製作成本昂貴。

實現單體(ti) 或單器件白光激光的難點

產(chan) 生多色或白色激光源是科學家和工程師們(men) 長期以來的目標。關(guan) 鍵的難點在於(yu) 能否創造同時高效發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分並分別通過激光腔諧振放大為(wei) 激光。膠體(ti) 量子點是一個(ge) 熟知的技術，但很難在空間上把各色量子點高效、準確區分，以實現高效電注入。其它非半導體(ti) 材料，諸如稀土參雜的二氧化矽等、染料參雜的有機聚合物、染料液滴等、麵臨(lin) 發光效率低，很難實現高效電子注入以及集成難度大等問題。而半導體(ti) 材料具有高效率，易於(yu) 電注入和易於(yu) 集成等特點，一直是發光材料的首選。

而利用半導體(ti) 材料實現白光激光，需要解決(jue) 一個(ge) 傳(chuan) 統的技術難題：由於(yu) 發射不同顏色的半導體(ti) 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體(ti) 含有大量缺陷，造成晶體(ti) 的光電質量下降，而無法滿足材料的光學增益要求。其次，長波長半導體(ti) 材料會(hui) 吸收短波長半導體(ti) 材料的發光，如果不能抑製不同半導體(ti) 之間互相吸收其它材料發出的光，特別是短波長（如藍色、綠色等）被窄帶半導體(ti) （如發紅光的半導體(ti) ）所吸收，會(hui) 導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(jue) 這兩(liang) 大技術難題，成為(wei) 實現半導體(ti) 白光激光技術的關(guan) 鍵。

納米半導體(ti) 白光激光技術的誕生

2015年，由作者本人所在的亞(ya) 利桑那州立大學和清華大學科研團隊，經過幾年的不懈努力，克服了器件設計和材料生長的多重難度，在《自然-納米技術》上發文報道了其在半導體(ti) 白光激光技術上的突破。博士生樊帆、Sunay Turkdogan、劉誌程等團隊科研人員借助納米半導體(ti) 技術，通過改變材料的生長參數，將具有RGB發光性能的三部分不同組分的鋅鎘硫硒四元合金材料，以相互平行結構方式（圖2），一次生長成為(wei) 厚度不到頭發絲(si) 直徑百分之一，長寬僅(jin) 為(wei) 頭發絲(si) 約十分之一的單片半導體(ti) 納米薄膜。

圖2 平行結構RGB半導體(ti) 納米薄片生長示意圖以及產(chan) 生的白光激光與(yu) 多色激光（圖片來源：《Nature Nanotechnology》）

由於(yu) 采用納米半導體(ti) 材料生長技術，使得生長的半導體(ti) 在耐受晶格失配的同時又具有高品質的光學性能，更適於(yu) 對RGB半導體(ti) 的集成。同時，相互平行的RGB結構，形成了三個(ge) 並行的激光腔，最大程度地抑製了長波長半導體(ti) 材料對短波長半導體(ti) 材料發光的吸收，為(wei) RGB各區域的同時激射，創造了可能。

團隊科研人員通過抽運納米薄片的RGB區域，並動態的調整各區域之間的相對發光強度，首次在單片半導體(ti) 介質上實現了白光激光，並在全色彩範圍內(nei) 可調（圖2）。由於(yu) 創造了單體(ti) 半導體(ti) 集成RGB增益材料，該白光激光器寬度僅(jin) 為(wei) 目前超分辨屏像元寬度的四分之一，亦可作為(wei) 像元開創激光平板顯示的新領域。此外，通過進一步調控生長參數，該技術可將更多色的半導體(ti) 區域集成在單片半導體(ti) 的納米薄片上，從(cong) 而更加豐(feng) 富了其應用價(jia) 值。因此，該技術一經發表，即被包括德國《明鏡周刊》在內(nei) 的世界多家媒體(ti) 的廣泛報道，並被美國科技雜誌《Popular Science》評選為(wei) 當年工程類年度十佳發明。

納米半導體(ti) 白光激光技術的應用前景

納米半導體(ti) 白光激光技術的發明， 將有助於(yu) 人們(men) 在照明、顯示和通信等多個(ge) 領域進行全新的應用設計和重大革新。

1白光激光照明技術

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(wei) 下一代固態照明技術的構想。由於(yu) LED在高載流子注入的情況下，會(hui) 出現發光效率下降，而激光照明則不受該限製。因此人們(men) 寄希望於(yu) 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(ya) 國家實驗室、美國新墨西哥大學和美國標準局的工作表明，通過將多個(ge) 單色激光混合而形成的白光激光用於(yu) 照明，測試者無法區分白光激光光源與(yu) 傳(chuan) 統白熾燈及LED光源的區別（圖3）。換而言之，由多基色或單頻激光混合而成的白光激光，其對色彩的呈現質量並不亞(ya) 於(yu) 傳(chuan) 統光源，從(cong) 而打破了長期以來人們(men) 認為(wei) 窄頻激光不適合做照明顯示的誤解。該研究為(wei) 白光激光技術在固態照明領域的應用奠定了實驗基礎。目前，由於(yu) 直接實現集成式的純半導體(ti) 白光激光的難度，激光照明技術在產(chan) 業(ye) 領域的發展還僅(jin) 限於(yu) 利用藍光半導體(ti) 激光激發熒光物質而產(chan) 生白光，並非真正意義(yi) 上的白光激光。我相信，納米半導體(ti) 白光激光技術的出現將加速白光激光照明在產(chan) 業(ye) 領域的實現。

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

鑒於(yu) 優(you) 良的單頻特性，激光作為(wei) 基色光可以使得基色色彩更接近色度圖的邊緣，因而有助於(yu) 覆蓋更廣泛的色域（圖4）。因此，激光顯示技術，相較於(yu) 的傳(chuan) 統顯示技術（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，更易於(yu) 實現高對比度。正因為(wei) 這些優(you) 勢，激光顯示技術近些年得到了長足的發展。但現有的激光顯示技術，還主要局限在將多個(ge) 分立激光機械式封裝而成的激光投影技術，而並非利用激光直接做成顯示單元，其顯示效果受到周圍環境光強的影響，且成本昂貴，無法集成。納米半導體(ti) 白光激光技術的出現將有助於(yu) 激光顯示實現從(cong) 激光投影技術到激光平板技術的跨越。

圖4 激光顯示技術於(yu) 傳(chuan) 統顯示技術光譜的色域比較（圖片來源：《Fabrication and Characterization of Semiconductor Nanolasers》）

3可見光無線通信技術

可見光無線通信（英文簡稱LIFI），是利用照明光源調製進行數據傳(chuan) 輸的全新無線技術。由於(yu) 照明光無處不在，且LED的調製速度可以比現有的基於(yu) 微波的WIFI高很多，因此隻需對現有的照明設備進行升級，即可通過LIFI技術，高速接入互聯網。而相較於(yu) LED，激光具有更高的調製速率（通常為(wei) LED的10-100倍），因而更適用於(yu) 可見光無線通信領域。而白光激光，由於(yu) 由多基色激光合成，可通過各基色的分別調製與(yu) 複用，獲得更多通信帶寬，因而更具應用前景。可以預見，隨著白光激光照明與(yu) 顯示技術的發展與(yu) 普及，基於(yu) 白光激光的LIFI 技術，可得到更廣泛的推廣。

在成功實現納米半導體(ti) 白光激光技術之後，我們(men) 目前正在向如何實現白光激光的電注入運轉這一更實用化的目標邁進，同時團隊也在積極探索該技術的產(chan) 業(ye) 化發展。相信，在不遠的將來，半導體(ti) 白光激光技術，將如同激光技術一樣，走出實驗室，走向千家萬(wan) 戶。