手機的人臉識別、汽車的雷達測距、醫院的激光手術……這些場景都離不開一個(ge) 核心角色——激光。

激光具有高單色性、高方向性、高亮度性和良好的高相幹性，被稱為(wei) “最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”，支撐著通信、醫學、科研等多個(ge) 領域的多重應用。

正因如此，不斷迭代研發效率更高、體(ti) 積更小、成本更低的激光器，成了全世界科學家追尋的目標。記者日前在浙江大學的實驗室內(nei) ，看到一個(ge) 僅(jin) 大拇指指甲蓋大小的方形器件，能發射肉眼難以直接觀察到的近紅外激光。這，就是世界上首個(ge) 電驅動鈣鈦礦激光器。

實現這一突破的，是浙江大學國際聯合學院/光電科學與(yu) 工程學院狄大衛教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團隊，他們(men) 的相關(guan) 研究成果此前已發表於(yu) 國際學術期刊《自然》。

這束fun88官网平台，不僅(jin) 為(wei) 半導體(ti) 激光器領域開創了新的方向，更有望讓激光技術走進更微型、更節能的應用場景，為(wei) 下一代光電芯片、可穿戴設備等技術帶來全新可能。

研發人員將鈣鈦礦激光器樣品放在顯微鏡下觀察

攀登鈣鈦礦光電領域的“珠穆朗瑪峰”

激光的基本原理早在1916年就被物理學家愛因斯坦提出，但直到1960年，激光才首次在實驗室成功驗證。

簡單來說，激光器就像一個(ge) “光的放大器”，需要外部能量激發材料產(chan) 生光子，再通過特定的光學結構讓光子不斷振蕩放大，最終形成穩定的激光發射。

激光材料種類繁多，其中半導體(ti) 激光器是信息技術領域的重要光源，但其傳(chuan) 統製造工藝工序複雜且成本高昂。鈣鈦礦半導體(ti) 、有機半導體(ti) 和量子點等新型激光材料則展現出顯著優(you) 勢。其中，鈣鈦礦半導體(ti) 因可實現各種色彩的激光，且在光驅動條件下能實現極低的激光發射閾值，具有十分優(you) 異的技術前景。然而，光驅動鈣鈦礦激光器依賴龐大且昂貴的外置光源（比如價(jia) 值百萬(wan) 元的飛秒激光器），限製了實際應用。

驅動激光的過程按照外部能量源，主要分為(wei) 光驅動和電驅動。在鈣鈦礦激光領域，從(cong) “光驅動”轉向“電驅動”的核心矛盾之一是，鈣鈦礦半導體(ti) 雖在光的激勵下容易產(chan) 生激光，但一旦改為(wei) 電驅動，較高的電場、電流及隨之產(chan) 生的熱量會(hui) 立即引發材料降解和光學性能下降，導致激光難以產(chan) 生。

狄大衛將這個(ge) 重大挑戰分解為(wei) 兩(liang) 個(ge) 問題，光子學問題與(yu) 電子學問題。在光子學方麵，需要尋找理想的鈣鈦礦增益介質，同時構建低損耗、高精密的光學反饋結構；在電子學方麵，需要實現大電流、高功率的鈣鈦礦器件，為(wei) 此需要突破鈣鈦礦材料在電場下不穩定的難題，還需要大幅增加器件亮度、縮小器件尺寸。

然而，在鈣鈦礦光電器件裏同時達到這些條件極其困難。

“這是鈣鈦礦光電子學中普遍認為(wei) 的、難以解決(jue) 的最大挑戰，其難度來源於(yu) 需要在多學科交叉的邊界探尋極限。”狄大衛解釋道，就像攀登珠穆朗瑪峰需要克服缺氧、極寒、地形等所有極端困難一樣，實現電驅動鈣鈦礦激光器需要攻克光子學、電子學、材料科學、器件物理等學科交叉的多項難題。這項研究就像攀登鈣鈦礦光電子學領域的“珠穆朗瑪峰”。

狄大衛在半導體(ti) 光電的道路上探索了近20年。在澳大利亞(ya) 新南威爾士大學，他完成了關(guan) 於(yu) 矽太陽能電池的本科學習(xi) 和工程學博士研究，掌握了在半導體(ti) 光電器件領域的學術基礎。為(wei) 了將自己的研究視野從(cong) 光伏領域拓展到發光領域，2012年，狄大衛前往英國劍橋大學卡文迪許實驗室攻讀物理學博士。2014年，他所在的課題組成功研製出全球首個(ge) 可在室溫下工作的光泵浦鈣鈦礦激光器，但這類器件依賴龐大且昂貴的飛秒激光光源，功耗大、成本高，很難走向實際應用。

真正的未來，在於(yu) 電驅動鈣鈦礦激光器的實現——它更小、更集成、更有望實現大規模工業(ye) 應用。懷揣這樣的決(jue) 心，2018年，狄大衛回國加入浙江大學，並迅速布局：搭建實驗平台，組建團隊，先後引進趙保丹、鄒晨等多名青年人才，向領域難題發起挑戰。

2020年，狄大衛團隊獲得浙江省的支持，開展半導體(ti) 光電子學基礎與(yu) 前沿研究，其中也涉及電驅動鈣鈦礦激光器的計劃。為(wei) 了讓團隊能有更充足的實驗空間，海寧市政府、浙江大學國際聯合學院（海寧國際校區）給予了一係列支持。“學校和政府有足夠的耐心和信心，願意支持高風險的前沿研究，這正是科研最需要的環境。”狄大衛說。

狄大衛（左）和鄒晨在實驗室討論鈣鈦礦激光器設計方案

闖過多個(ge) “領域之最”的難關(guan)

這並不是一場可以速戰速決(jue) 的“戰役”。過去7年，狄大衛帶領團隊開展的大多數研究，都在為(wei) 電驅動鈣鈦礦激光器的研製奠定基礎。

“電驅動鈣鈦礦激光器的實現，背後是多項技術的突破。”狄大衛給記者舉(ju) 了四個(ge) “領域之最”——實測壽命最長的鈣鈦礦LED、最高亮的鈣鈦礦LED、最小的LED、最低閾值的光泵浦鈣鈦礦激光。“這些技術積累，為(wei) 我們(men) 實現全球首個(ge) 電驅動鈣鈦礦激光器奠定了基礎。”狄大衛說。

簡單來說，LED（發光二極管）和半導體(ti) 激光器（如激光二極管）是“親(qin) 戚”，它們(men) 都利用半導體(ti) 材料發光。“鈣鈦礦LED技術就像電驅動鈣鈦礦激光器的‘地基’，需要先建設穩定的地基，才能在上麵建造大廈。”狄大衛介紹。

第一個(ge) 實現突破的是超長壽命的鈣鈦礦LED。2021年2月，狄大衛團隊的碩士生郭兵兵，報告了一個(ge) 特別的現象。彼時郭兵兵正在進行鈣鈦礦LED的穩定性研究。當時學界普遍認為(wei) ，這類器件“本性脆弱”，幾乎不可能達到如OLED般的長壽命。在反複實驗中，郭兵兵注意到一個(ge) 特殊樣品：它的衰減速度，竟然比當時國際報道中最穩定的同類器件還要緩慢。

這是一次偶然，還是一個(ge) 新的突破方向？郭兵兵陷入困惑——測試方案是根據國際通用測試LED的標準來執行，如果追蹤這個(ge) “異常”樣本，實驗測試方案就要重新調整，也意味著要花費更多的時間和成本，會(hui) 不會(hui) 得不償(chang) 失？

他向狄大衛報告了這一現象。狄大衛鼓勵和開導他：“科學研究中，最珍貴的往往就是這些‘異常’。但驗證它，需要比發現它多十倍、百倍的耐心，放心大膽去做。”並提議可以參照OLED領域的通用方法，對器件進行加速老化實驗，或許能看得更清楚。

於(yu) 是，師徒倆(lia) 這場持久觀察戰開始了。在設備工程師的協助下，郭兵兵搭建起新的測試係統，啟動了更為(wei) 嚴(yan) 苛的穩定性考核。結果令人震驚，經過雙極性分子穩定劑處理的鈣鈦礦LED，在5mA/cm2的恒定電流下，連續運行3600小時，亮度曲線幾乎持平，未見衰減。

興(xing) 奮之餘(yu) ，他們(men) 決(jue) 定挑戰極限，建立了一套更嚴(yan) 苛的測試協議：擴大電流測試範圍、增加樣品數量，發現鈣鈦礦LED器件穩定性在不同電流密度下，均比當時最穩定的同類器件高100倍左右，首次接近OLED水平。

2022年8月，該研究成果正式發表，消除了鈣鈦礦LED可能“本征不穩定”的隱憂。

這也給團隊打了一針強心劑。接下來，如何讓器件的發光亮度進一步提高？狄大衛團隊的博士生熊文濤聚焦鈣鈦礦半導體(ti) 電學摻雜的難題，顯著提高了發光亮度。“我們(men) 研發的鈣鈦礦LED，其亮度達到116萬(wan) 尼特，相當於(yu) 正午太陽照在地麵亮度的30倍。”熊文濤說。這一突破，如同為(wei) 鈣鈦礦發光器件鍛造了強勁的“心髒”，為(wei) 實現電驅動激光清除了另一個(ge) 障礙。

另一項突破來自狄大衛團隊的博士生連亞(ya) 霄，他開發了微型與(yu) 納米鈣鈦礦LED，像素尺寸覆蓋範圍從(cong) 幾百微米一直到90納米，創造了世界上最小的LED。當傳(chuan) 統半導體(ti) LED的尺寸降低到微米級時，性能會(hui) 急劇衰退，但微型與(yu) 納米鈣鈦礦LED不僅(jin) 可以保持可觀的效率，還擁有極高的色彩純度。這項突破，展示了微納鈣鈦礦光源可以同時實現極其微小與(yu) 高效。

狄大衛團隊的核心成員、研究員鄒晨，在鈣鈦礦半導體(ti) 光學微腔中，實現了室溫下穩態的激子極化激元玻色-愛因斯坦凝聚，這種宏觀量子態可以大幅降低激光閾值。基於(yu) 這一原理，鄒晨製備了高質量的單晶鈣鈦礦光學微腔，在光泵浦下實現了目前最低閾值（0.4W/cm2）的連續波鈣鈦礦激光，相比當前性能最優(you) 的傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器，其閾值僅(jin) 為(wei) 後者的1/30左右。

這意味著，未來基於(yu) 此技術製造出的激光器，將變得更節能、高效。超低功耗將使得激光技術能更廣泛地融入對能效要求較高的領域，如未來的高性能手機顯示、可穿戴設備、植入式醫療傳(chuan) 感及大規模光子計算芯片中，為(wei) 下一代光電子器件奠定關(guan) 鍵基礎。

“鈣鈦礦半導體(ti) 激光器的製備，或許可以類比為(wei) 製造汽車，”狄大衛說，“發動機、底盤等核心部件我們(men) 都攻克了，但最後的精密組裝同樣關(guan) 鍵。”他解釋道，這個(ge) 過程需要用各種微觀工藝構築一個(ge) 複雜的結構：先後采用真空鍍膜、溶液旋塗、晶體(ti) 生長等技術，將數十層功能材料嚴(yan) 絲(si) 合縫地疊加在一起，每一步的材料、厚度和順序都需精確控製。

鄒晨主動承擔了這項挑戰。為(wei) 了構築電驅動鈣鈦礦激光器並搭建與(yu) 之匹配的測試係統，鄒晨日夜不停地調試、組裝、優(you) 化。在團隊成員的協助下反複探索可能的器件結構，搭建激光器測試係統。

2024年5月，他們(men) 終於(yu) 在采用雙光學微腔設計的集成式鈣鈦礦器件中，觀測到期待已久的電驅動激光。為(wei) 驗證結果的可靠性，團隊又投入更嚴(yan) 格的複測與(yu) 係統優(you) 化。又經過數個(ge) 月對器件的優(you) 化改進和實驗重複性驗證後，世界首個(ge) 電驅動鈣鈦礦激光器，在浙大、在中國誕生了！

把今天的“首創”變成明天的“日常”

事實上，狄大衛團隊研製的電驅動鈣鈦礦激光器僅(jin) 需92A/cm2的電流密度即可啟動，這個(ge) 數值僅(jin) 為(wei) 目前性能最優(you) 的有機半導體(ti) 激光器所需電流的1/10。

“通俗來說，就像一台新引擎，用更小的‘油門’就能平穩點火，意味著效率更高、能耗與(yu) 發熱更小。”狄大衛介紹，該器件的一個(ge) 關(guan) 鍵創新在於(yu) 其雙光學微腔結構，即把兩(liang) 個(ge) 光學腔單元精巧耦合，使內(nei) 部光耦合效率提升至82.7%，大幅增強了光放大能力。

但這並不意味著研究的終點，而是新的起點。

“電驅動鈣鈦礦激光器領域仍處於(yu) ‘嬰兒(er) 期’，我們(men) 的下一次攀登，是解決(jue) 它‘長大成人’道路上的兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵問題——更簡潔的器件結構和更長久的穩定性，從(cong) 而推動它真正走出實驗室，走向規模化的產(chan) 業(ye) 應用。”狄大衛說。

攀登珠峰，不滿足於(yu) 登頂一次。狄大衛透露，團隊正為(wei) 實現結構更精簡的單腔激光二極管不斷努力。與(yu) 已實現的集成式雙腔激光器相比，單腔設計更有望實現大規模應用。這是邁向高效率、低能耗、微型化激光器的關(guan) 鍵一步，讓它從(cong) 實驗室走向實際應用的可能性大大增加。

在此之後，他們(men) 還需克服穩定性的挑戰，研究重心也會(hui) 從(cong) “從(cong) 無到有”的原理與(yu) 概念突破，轉向攻克“從(cong) 有到優(you) ”的難題。“在未來，我們(men) 不僅(jin) 要讓鈣鈦礦激光器在實驗室的理想環境中工作，還要確保它在高溫、高濕、持續電流衝(chong) 擊等更接近真實應用的嚴(yan) 苛考驗下，依然保持性能可靠、壽命持久。”狄大衛說。

這項技術成熟後，將如何重塑我們(men) 的生活？

想象一下，在可穿戴設備領域，微型激光器能被集成進智能手表的表盤之下。它發射的特定波長可無創穿透皮膚，實時、精準地監測血糖、血氧甚至乳酸代謝水平，讓你手腕上的設備從(cong) 一個(ge) 運動記錄儀(yi) ，升級為(wei) 個(ge) 人的“健康預警中心”。

或許，你的眼鏡還能直接投射屏幕，手機之間可通過激光實現高速數據傳(chuan) 輸，交互方式或因此迎來變革。

這項突破，標誌著我國在下一代光電技術競爭(zheng) 中，正從(cong) 長期的“跟隨者”，轉向關(guan) 鍵的“定義(yi) 者”。其戰略意義(yi) ，遠不止於(yu) 一項國際首創，而在於(yu) 它可能重構部分產(chan) 業(ye) 的核心技術路線。

從(cong) “跟跑”到“並跑”，再到如今在若幹領域前沿“提前搶占身位”，這一轉變的背後，是國家對基礎研究與(yu) 前沿技術長期穩定的支持，以及一線科研工作者敢於(yu) 瞄準各自領域的“珠穆朗瑪峰”發起攻堅的戰略定力。這項成果，不僅(jin) 是一篇頂級論文，更是一個(ge) 清晰的信號：中國光電研究，已具備在世界創新版圖上開辟新大陸的勇氣與(yu) 能力。它就像一顆至關(guan) 重要的“種子”，未來可能生長出一片更具原創性、自主性與(yu) 競爭(zheng) 力的中國光電信息技術產(chan) 業(ye) “森林”。

一束光的誕生

本報記者 褚晶君 整理

激光並不是自然界發出的光，而是通過“受激輻射”放大的光。激光的理論基礎是愛因斯坦在1916年提出的“受激輻射”理論，即原子在受到外部能量激發時可以發出光，並且這種光是相幹的。但在這以後相當長的一段時間內(nei) ，有關(guan) 受激輻射的研究並未引起人們(men) 的足夠重視。

1958年，美國物理學家查爾斯·湯斯和阿瑟·肖洛在《物理評論》上共同發表論文《紅外和光量子放大器》，提出第一個(ge) 實際激光器的概念，預言了激光的可行性。

突破在1960年5月16日。美國休斯研究實驗室的西奧多·梅曼將一個(ge) 手指大小的紅寶石晶體(ti) 精心包裹在螺旋形閃光燈中，當閃光燈瞬間點亮，世界第一束激光——波長為(wei) 694.3納米的紅色激光——從(cong) 紅寶石中迸發而出。這束光不像普通光源那樣發散，而是筆直、集中、純淨。梅曼在實驗筆記中簡單記錄：“紅寶石激光器成功運行”，科學史上一個(ge) 全新領域就此開啟。

1961年9月，我國光學科學家、中國科學院院士王之江、鄧錫銘等研製成中國首台紅寶石激光器，開啟了中國的激光史。

此後，更多類型的激光器相繼問世：氦氖激光器、半導體(ti) 激光器、化學激光器……激光技術迅速發展，從(cong) 實驗室走向廣闊應用天地。

從(cong) 超市掃碼器到眼科手術台，從(cong) 光纖通信到核聚變研究，激光已經成為(wei) 現代社會(hui) 不可或缺的工具，被廣泛應用於(yu) 諸多領域，激光被認為(wei) 是20世紀以來繼原子能、計算機和半導體(ti) 之後的又一重大發明。

這束特殊的光，不僅(jin) 照亮了我們(men) 的物質世界，更閃耀著人類智慧的光芒。

1月28日，《浙江日報》前沿周刊刊發《浙江大學團隊成功研製世界首個(ge) 電驅動鈣鈦礦激光器 fun88官网平台：最快的刀 最準的尺 最亮的光》。