固態照明（發光二極管LED、激光二極管LD）具有高效和使用壽命長等優(you) 點，有望取代傳(chuan) 統照明。輸出功率隨輸入功率線性增加的LD不僅(jin) 效率可與(yu) LED相媲美，還兼具照射距離遠、結構緊湊等優(you) 點，有可能成為(wei) 下一代照明光源。但是如何將高度匯聚的單色LD光源轉化為(wei) 照明所需的三維立體(ti) 均勻白光，仍然是一項緊迫而嚴(yan) 峻的挑戰。

　　中國科學院蘇州納米技術與(yu) 納米仿生研究所研究員張學同團隊通過精準調控氧化矽氣凝膠構築單元的尺寸，控製光與(yu) 不同尺寸構築單元的選擇性相互作用，連同沿入射光方向故意製造的深孔，使得氧化矽氣凝膠散射激光的照度均勻度（0.770–0.862）高於(yu) 國際標準化組織對室內(nei) 工作場所照明的要求；照度變化係數（CIV）低至 8.1%，遠低於(yu) 商業(ye) 散射材料；散斑對比度低於(yu) 人眼識別極限（4%）。基於(yu) 三基色激光器和商業(ye) 熒光粉可實現包括白光在內(nei) 的任意顏色照明。此外，該氧化矽氣凝膠可進一步應用於(yu) 雨中、水下和遠距離非接觸式激光驅動照明，推動了激光照明的技術進步。

　　根據瑞利-高斯理論，散射光強與(yu) 氧化矽氣凝膠構築單元直徑的三次方成正比。構築單元尺寸越小，散射光強越低，透過率越高，激光照射樣品後會(hui) 形成明亮光斑；構築單元尺寸過大會(hui) 造成散射光強過高，入射激光幾乎被全部反射；隻有構築單元尺寸在一定範圍內(nei) 的氣凝膠才能散射激光從(cong) 而用於(yu) 照明。

　　研究人員通過調控氧化矽氣凝膠製備過程中表麵活性劑的濃度，從(cong) 而精確控製了氧化矽氣凝膠構築單元的尺寸。構築單元尺寸不同，整體(ti) 樣品的透明性會(hui) 顯著不同。此外，獲得的氧化矽氣凝膠表現出典型的比表麵積和孔徑分布特征，也具有優(you) 異的熱穩定性。以甲基三甲氧基矽烷為(wei) 前驅體(ti) ，不僅(jin) 降低了獲得的氧化矽氣凝膠的交聯密度，而且提高了力學性能，可壓縮至自身尺寸的80%，壓縮強度大於(yu) 1 MPa。由於(yu) 氧化矽氣凝膠骨架中含有豐(feng) 富的甲基，賦予了獲得的氣凝膠的超疏水性，被汙水浸泡後依然能夠“出淤泥而不染”。

　　氧化矽氣凝膠吸光率低於(yu) 1%，激光損傷(shang) 閾值高達10.29J·cm^-2，可承受高功率密度激光輻射。作者利用理想模型，計算出氣凝膠的直線透光率隻有在合適的範圍內(nei) 才有可能使激光不產(chan) 生明亮光斑或全部被散射。利用分光光度計和積分球測試氣凝膠的直線透過率和背向散射率，並計算出前向散射率，最終確定構築單元直徑位於(yu) 24–40nm範圍內(nei) 的氧化矽氣凝膠可用於(yu) 高效激光照明。

　　研究人員驗證了具有不同構築單元尺寸的氧化矽氣凝膠用於(yu) 激光照明的實際使用效果，並定量測量了其照度分布。當氣凝膠的構築單元尺寸過大時（d＞40nm），激光被氣凝膠全部反射（CIV=269.5%）；當氣凝膠的構築單元尺寸過小時（d＜24nm），激光透過氣凝膠形成明亮的光斑（CIV=168.6%）；隻有當氣凝膠的構築單元尺寸合適時（24nm＜d＜40nm）才能均勻散射激光而不產(chan) 生光斑（CIV=79.2%,）。為(wei) 了進一步提高散射均勻性，降低CIV，作者在氣凝膠表麵沿入射光方向造孔，成功攻克背散射強度大於(yu) 前散射強度這一技術瓶頸，得到的CIV僅(jin) 為(wei) 9.1%，分別達到商業(ye) 毛玻璃和聚合物散射板的1/27和1/15，並且散斑對比度低於(yu) 4%。

　　精細調控的氧化矽氣凝膠可用於(yu) 不同波長的激光散射。作者基於(yu) 三基色激光器和商業(ye) 熒光粉實現了包括白光在內(nei) 的任意顏色照明，並且照度均勻度高於(yu) 國際標準化組織對室內(nei) 工作場所照明的要求。由於(yu) 氣凝膠的超疏水性和激光的準直性，其可進一步應用於(yu) 雨中、水下和遠距離非接觸式激光驅動照明，也可利用光纖實現激光跨越障礙物照明。

　　相關(guan) 工作發表在《先進材料》上。該研究工作獲得國家自然科學基金和英國皇家學會(hui) –牛頓高級學者基金等的資助。

激光與(yu) 具有不同構築單元尺寸的氧化矽氣凝膠之間的相互作用

二氧化矽氣凝膠的結構和性能

氧化矽氣凝膠作為(wei) 漫散射體(ti) 的激光驅動照明的具體(ti) 應用