何景瓷

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江，332005

作者簡(jiǎn)介：何景瓷，男，漢族，江西進(jìn)賢，本科，副教授，研究方向：物理的研究與教學(xué)。

0 引言

飛秒激光脈沖寬度較小，峰值功率超高，處于透明介質(zhì)能夠產(chǎn)生更多的非線性效應(yīng)，并且它的頻譜不斷被擴(kuò)寬，構(gòu)成相干性以及方向性超強(qiáng)的連續(xù)譜白光激光，這樣的白光頻譜覆蓋近紅外波段以及可見(jiàn)光。本文主要基于單體納米半導(dǎo)體所產(chǎn)生的白光激光技術(shù)的基本原理和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出簡(jiǎn)單的研究，介紹了該技術(shù)在社會(huì)各領(lǐng)域的一些應(yīng)用情況。

1 太陽(yáng)光

太陽(yáng)是萬(wàn)物生長(zhǎng)的必需條件，在太陽(yáng)光的作用下，地球擁有了相應(yīng)的光源和熱量。實(shí)際上太陽(yáng)光是一束白光，其中的頻譜涉及了紫外、可見(jiàn)、近紅外、中紅外波段，在可見(jiàn)光波區(qū)域的輻射能量最強(qiáng)，其中可以在光譜上見(jiàn)到已發(fā)布的紅橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色，但是，因?yàn)樘?yáng)光是白色的，所以在下雨之后人類可以在天空見(jiàn)到彩虹，或者在太陽(yáng)光下借助玻璃三棱鏡就可以看到七種顏色的光帶，這也是人類實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

此外，太陽(yáng)其實(shí)是一種完全非相干光，主要表現(xiàn)在空間相干性方面，因?yàn)樘?yáng)光不能準(zhǔn)直，且有著高度發(fā)散的性質(zhì)，對(duì)于時(shí)間相干性層面，太陽(yáng)光當(dāng)中的各種顏色之間不存在相應(yīng)的聯(lián)系和鎖定關(guān)系。對(duì)此，產(chǎn)生能量是太陽(yáng)光的核心功能，使用于太陽(yáng)能電池、熱水器以及進(jìn)行取暖等，如果將太陽(yáng)光使用于信息的傳遞等科學(xué)技術(shù)中，目前還比較困難[1]。

2 激光

激光是在強(qiáng)烈輻射能量下產(chǎn)生了相應(yīng)的光放大現(xiàn)象，具備了單色性強(qiáng)、方向性好、亮度高以及相干性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。也是因?yàn)楹推胀ü庠从兄町惖膬?yōu)勢(shì)，（幾種光源的平均光子流密度見(jiàn)表1，幾種光源的頻寬、相干時(shí)間及長(zhǎng)度見(jiàn)表2），讓激光能夠廣泛應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域中。再者，激光是單色光源，它的光譜帶寬比較狹窄，其中某一個(gè)單個(gè)激光器所產(chǎn)生的色彩只能覆蓋色度圖中的一個(gè)小點(diǎn)（見(jiàn)圖1），但是在色度圖中，很多色彩還需要在多個(gè)激光和復(fù)色光的作用下表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)然其中也有白光的作用。

而白光屬于復(fù)色光，被大量使用在通訊、顯示、成像、照明等方面。因?yàn)閱紊す獠⒉荒苤苯赢a(chǎn)生白光，所以如今在各領(lǐng)域使用的白光主要有使用各種不同色彩激光來(lái)混合組成白光，運(yùn)用超短脈沖和非線性介質(zhì)達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)；還有運(yùn)用白熾燈、LED等非激光技術(shù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)使用的目的[2]。

表1 幾種光源平均光子流密度

表2 幾種光源的頻寬、相干時(shí)間及長(zhǎng)度

是否可以創(chuàng)造一個(gè)單個(gè)芯片或器件，通過(guò)直接的產(chǎn)生方式形成白光激光，同時(shí)給予其激光和白光的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到能夠覆蓋各種色彩區(qū)域，這是當(dāng)今非常火熱的研究話題，也是半導(dǎo)體材料在生長(zhǎng)過(guò)程中需要面對(duì)的挑戰(zhàn)和改變。當(dāng)然，白光技術(shù)也是非常有價(jià)值的研究?jī)?nèi)容，這樣可以進(jìn)一步拓寬激光的應(yīng)用領(lǐng)域，為人類的發(fā)展帶來(lái)更多可能。

3 白光激光的實(shí)現(xiàn)方案

在光學(xué)非線性效益的支持下產(chǎn)生超連續(xù)譜從而實(shí)現(xiàn)白光激光；利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)白光激光的基本工作原理，主要是借助超短脈沖激光在非線性介質(zhì)當(dāng)中形成相關(guān)的相應(yīng)組合，以此可以在可見(jiàn)光范圍內(nèi)形成超連續(xù)譜激光。但是這個(gè)方案需要運(yùn)用到超快激光來(lái)進(jìn)行基頻輸入光，自然要投入大量的成本資金，在一些小型化和集成化的場(chǎng)景中難以充分發(fā)揮激光效果，并且將非線性材料和半導(dǎo)體相比，非線性進(jìn)行激光轉(zhuǎn)換時(shí)，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體，從而在某一層面限制了激光在顯示、照明、成像等方面的使用效果。此外，非線性方案產(chǎn)生的超連續(xù)譜還有高次諧波組，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就可以清楚知識(shí)光譜之間的強(qiáng)度，并且在后期難以有效控制各個(gè)光譜組的相對(duì)強(qiáng)度，進(jìn)而不能動(dòng)態(tài)式地調(diào)控出射激光色彩，從而制約了白光激光技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步。

通過(guò)紅綠藍(lán)色激光混合形成白光激光；把RGB三色或者多個(gè)色彩激光混合組成白光激光，這一課題也是如今重點(diǎn)研究中所使用到方案。當(dāng)混合使用三基色時(shí)，每一基色都可以進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的控制，從而動(dòng)態(tài)式控制白光激光的色彩和色溫，這樣就可以將其有效使用到各領(lǐng)域當(dāng)中，比如現(xiàn)如今在市場(chǎng)上運(yùn)用先進(jìn)激光形成激光投影電視和激光顯示。在RGB三色合成支撐下構(gòu)成白光激光的方法還需要進(jìn)一步完善，例如這些不一樣顏色的激光一般是單個(gè)加工形成分離組裝，難以形成批量化或小型化集成，因此在制作過(guò)程中會(huì)需要昂貴的成本支撐。

4 制作單體或單器件白光激光的難點(diǎn)

制作多個(gè)色彩或白色激光光源一直是科學(xué)家和工程師的研究目的。其最關(guān)鍵的難點(diǎn)是可否制造出能夠同時(shí)有效發(fā)出各種色彩的材料，并將這些色彩產(chǎn)生的光源通過(guò)空間層面劃分出不同的類型，同時(shí)利用激光腔諧振放大成激光。膠體量子點(diǎn)是研究領(lǐng)域非常熟悉的技術(shù)，但是并不能在空間層面將各種色彩量子點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)有效的分類，從而進(jìn)行高效的電注入。此外，還有一些半導(dǎo)體材料，比如染料摻雜后的染料液滴、有機(jī)聚合物，還有稀土摻雜的二氧化硅等材料，發(fā)光效率較低，難以達(dá)到高效的電子注入和集成。而半導(dǎo)體材料可以進(jìn)行有效的電注入，容易集成化，效率很高，使其成為發(fā)光材料的第一選擇。

同時(shí)運(yùn)用半導(dǎo)體材料構(gòu)造成白光激光技術(shù)，首先需要解決之前的技術(shù)難題：因?yàn)楫a(chǎn)生不同色彩的半導(dǎo)體，它們的晶格尺寸偏差較大，這樣不匹配的晶格，會(huì)導(dǎo)致在薄膜外延法一次性生長(zhǎng)的顏色不同的半導(dǎo)體當(dāng)中存在大量問(wèn)題，從而影響著晶體光電質(zhì)量，難以達(dá)到材料的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)材料價(jià)值。再者，長(zhǎng)波廠半導(dǎo)體材料會(huì)將短波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料發(fā)出的光吸收完，如果不能有效控制這一問(wèn)題，尤其是窄帶半導(dǎo)體將會(huì)全面吸收短波長(zhǎng)半導(dǎo)體所發(fā)出的光，從而影響激光器數(shù)值準(zhǔn)確率，最終達(dá)不到白光激光技術(shù)的要求，無(wú)法進(jìn)行高效激射。該怎么解決這些技術(shù)問(wèn)題，是制作半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的重中之重。

5 納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的出世

在2015年，亞利桑那州立大學(xué)與清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)幾年的努力，經(jīng)歷器件設(shè)計(jì)和材料生長(zhǎng)的各種難關(guān)，終于在半導(dǎo)體白光激光技術(shù)上有了新的突破。與此同時(shí)，博士生樊帆、Sunay Turkdogan、劉志程等科研團(tuán)隊(duì)人員利用納米半導(dǎo)體技術(shù)，將材料的生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行變更，把具備RGB發(fā)光性能部分劃分為了不同組別的鋅鎘硫硒四元合金材料，通過(guò)相互平行的方法，一次性生長(zhǎng)為厚度不到頭發(fā)絲百分之一的單片半導(dǎo)體納米薄膜。

因?yàn)榻柚思{米半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)，使半導(dǎo)體生長(zhǎng)以后，可以擁有高尚品質(zhì)的光學(xué)性能，同時(shí)還有耐受晶格失配功能，更加適合使用于RGB半導(dǎo)體的構(gòu)成中。另外，因?yàn)镽GB的結(jié)構(gòu)是相互平行的，從而會(huì)形成三個(gè)并行的激光腔，進(jìn)一步減少了長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料對(duì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的發(fā)光吸收問(wèn)題，讓RGB區(qū)域有可能進(jìn)行同步激射。

科研團(tuán)隊(duì)對(duì)RGB區(qū)域進(jìn)行了抽運(yùn)納米薄片，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)化的調(diào)整方法提高各區(qū)域之間的發(fā)光強(qiáng)度，第一次通過(guò)單片半導(dǎo)體中介讓白光激光出世，并且該激光可以全色彩范圍中自由協(xié)調(diào)。因?yàn)閱误w半導(dǎo)體繼承RGB材料對(duì)于白光激光技術(shù)非常有益，讓白光激光器的寬度只有目前超分辨率像元寬度的四分之一，成為了激光平板顯示創(chuàng)新新層面的依據(jù)。另外，再一次調(diào)整材料生長(zhǎng)參數(shù)，使該技術(shù)可以把多色半導(dǎo)體區(qū)域集合，并運(yùn)到單片半導(dǎo)體的納米撥片上，最大程度上提高該技術(shù)的使用價(jià)值[3]。

6 納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)發(fā)展前景

納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的出現(xiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了人們?cè)陲@示、通信和照明等方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

6.1 白光激光照明技術(shù)

當(dāng)高載流子注入情況下，LED會(huì)的發(fā)光效率會(huì)直線下降，但是其中的激光照明并不會(huì)受到影響。對(duì)此，可以充分借助激光照明來(lái)突破LED當(dāng)中的一些問(wèn)題。并且在更早之前，美國(guó)新墨西哥大學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)局以及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作研究表明，利用多個(gè)單色激光混合在一起，可以進(jìn)一步集合成白光激光并應(yīng)用于照明方面，一般情況，測(cè)試者對(duì)于傳統(tǒng)白熾燈和LED光源與白光激光光源的區(qū)別不能精準(zhǔn)分清。也就是說(shuō)，因?yàn)榘坠饧す馐窃诙鄠€(gè)基色或者單頻激光集合而成的，呈現(xiàn)的色彩質(zhì)量和傳統(tǒng)光源具有可比性，進(jìn)一步突破了窄頻激光不適用于照明和顯示的局限。這一方面的研究讓后期白光機(jī)關(guān)技術(shù)應(yīng)用于固態(tài)照明領(lǐng)域有了前車之鑒；到目前為止，因?yàn)橹苯蛹铣杉兊陌雽?dǎo)體白光激光技術(shù)會(huì)有一定的難度，并且激光照明技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展會(huì)受到相應(yīng)的限制，只能使用在藍(lán)光半導(dǎo)體激光激發(fā)熒光物質(zhì)從而產(chǎn)生相應(yīng)的白光，但這并不是真正的白光激光。在未來(lái)的發(fā)展中，通過(guò)納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)的支撐，可以進(jìn)一步突破在照明方面的應(yīng)用。

6.2 激光顯示技術(shù)

因?yàn)榫邆淞己玫膯晤l特點(diǎn)，作為基色光的激光能夠把基色色彩轉(zhuǎn)向色度圖的邊緣，以此可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的色域覆蓋率。對(duì)此，和傳統(tǒng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，激光現(xiàn)實(shí)技術(shù)擁有更加優(yōu)質(zhì)的色彩飽和度，并且激光自身就具備了很高的亮度特征，更加容易實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度。也正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，讓激光顯示技術(shù)可以在這些年中穩(wěn)定發(fā)展。但是現(xiàn)有的激光現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在一些局限性，只能通過(guò)多個(gè)分立激光機(jī)械式封裝后，構(gòu)成現(xiàn)有的激光投影技術(shù)，這一過(guò)程并沒(méi)有將激光直接制作成顯示單元，并且該技術(shù)單元的現(xiàn)實(shí)效果會(huì)受到周邊環(huán)境光強(qiáng)度的影響，并且該技術(shù)的制作成本較高，不能有效集成新技術(shù)。而納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)就有利于激光顯示突破局限，發(fā)展成激光平板技術(shù)。

6.3 可見(jiàn)光無(wú)線通信技術(shù)

可見(jiàn)光無(wú)線通信是通過(guò)照明光源調(diào)整數(shù)據(jù)運(yùn)輸形成全新的無(wú)線技術(shù)。因?yàn)檎彰骷夹g(shù)隨處可見(jiàn)，同時(shí)和微波WIFI相比，LED的調(diào)制速度很快，所以將現(xiàn)有的照明設(shè)備進(jìn)一步革新升級(jí)后，也就是可以通過(guò)LIFI技術(shù)，快速鏈接到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中。但和LED相比較，激光的調(diào)制速度更快，所以可以被廣泛使用到可見(jiàn)光無(wú)限通信方面。白激光技術(shù)是通過(guò)多個(gè)基色混合而成的激光，可以分別利用和重復(fù)使用其中的各個(gè)基色，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通信寬帶的使用，這一方面的發(fā)展前景十分可觀?？傊?，在顯示技術(shù)和白光激光照明技術(shù)的進(jìn)步和廣泛使用，在白光激光技術(shù)之上建立而成的LIFI技術(shù)有著非?？捎^的發(fā)展前景[4]。

6.4 白光激光的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

大氣和環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用；隨著人類的進(jìn)步和發(fā)展，地球生態(tài)環(huán)境受到的污染越來(lái)越嚴(yán)重，這給人們的生活和工作帶來(lái)了大量的負(fù)面作用，尤其我國(guó)華北和江淮廣大地區(qū)的霧霾成為常態(tài)化的環(huán)境存在，環(huán)保問(wèn)題逐漸成為我國(guó)發(fā)展的首要關(guān)注要素。現(xiàn)如今，國(guó)家和社會(huì)對(duì)環(huán)保方面的投入逐漸增加，也在其中應(yīng)用著越來(lái)越強(qiáng)大的檢測(cè)技術(shù)和方法。而激光技術(shù)是光譜分析中的關(guān)鍵部分，在大氣遙感和環(huán)境檢測(cè)方面起到重要的價(jià)值意義，并且我國(guó)已經(jīng)成立了專門的激光雷達(dá)環(huán)保部門。在環(huán)境檢測(cè)中使用激光技術(shù)，其基本原理是通過(guò)激光束和大氣之間的影響作用，激光會(huì)和大氣中的各種物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用，從而在信號(hào)光的作用下獲取相應(yīng)的內(nèi)部量子態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，全方位收集這些相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以得到有關(guān)的分布信息，為環(huán)保部門提供更加細(xì)致的大氣成分信息，并就此制定合理的應(yīng)對(duì)策略。其中，相對(duì)普通的激光雷達(dá)智能和特定的量子分子產(chǎn)生散射作用，但是使用白光激光就可以和多個(gè)量子分子產(chǎn)生作用，從而獲得更加豐富的光散射信息，能最大限度提高該技術(shù)的監(jiān)測(cè)功能。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用；白光激光和普通激光一樣，都可以使用于生物醫(yī)學(xué)方面。例如流式細(xì)胞儀、超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)、精密光譜學(xué)等技術(shù)，可以深入研究蛋白質(zhì)大分子的生理功能，使用相應(yīng)的拉曼光譜技術(shù)、光學(xué)相干層析技術(shù)可以進(jìn)行疾病診斷，同時(shí)還可以使用于光熱治療、激光美容、激光醫(yī)學(xué)等。在這些領(lǐng)域的使用說(shuō)明白光激光擁有著更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)用于多模態(tài)生物成像和分析中；因?yàn)槿梭w組織、器官以及細(xì)胞在光作用下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反應(yīng)，敏感波段也比較多元化，所以還需要利用高功率、超連續(xù)的激光輔助，通過(guò)非線性光譜技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)、光學(xué)相干層析技術(shù)等監(jiān)測(cè)技術(shù)，來(lái)監(jiān)測(cè)人體組織中的變化，獲取相應(yīng)的診斷信息，從而是實(shí)現(xiàn)多模態(tài)生物成像。該技術(shù)的使用進(jìn)一步推動(dòng)了疾病診斷技術(shù)的發(fā)展。

激光美容：運(yùn)用激光技術(shù)的光化學(xué)反應(yīng)、光熱效應(yīng)、光電效應(yīng)等化學(xué)物理效應(yīng)來(lái)清除表皮組織中的病變情況和冗余部分。因?yàn)楸砥そM織比較繁雜，需要借助高功率激光進(jìn)行協(xié)同作用，因此在激光美容中白光激光有著前所未有的功效。該技術(shù)進(jìn)入老百姓的日常生活，進(jìn)一步提高了白光激光的地位和應(yīng)用范圍，起著重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以知道白光激光技術(shù)的形成歷程比較曲折，而使用范圍比較廣泛，可以為人類生產(chǎn)和生活帶來(lái)更多便利?？偠灾?，形成有效的納米半導(dǎo)體白光激光技術(shù)后，我國(guó)有關(guān)科研團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)研究白光激光電注入的運(yùn)行方面，進(jìn)一步提高該技術(shù)的實(shí)用性，以此推動(dòng)該技術(shù)在各產(chǎn)業(yè)的使用和發(fā)展。在未來(lái)發(fā)展中，半導(dǎo)體白光激光技術(shù)會(huì)和普通激光技術(shù)一樣，進(jìn)入人們的日常生活中。