基于單體納米半導體的白光激光技術(shù)研究

何景瓷

九江職業(yè)技術(shù)學院，江西九江，332005

作者簡介：何景瓷，男，漢族，江西進賢，本科，副教授，研究方向：物理的研究與教學。

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寬，構(gòu)成相干性以及方向性超強的連續(xù)譜白光激光，這樣的白光頻譜覆蓋近紅外波段以及可見光。本文主要基于單體納米半導體所產(chǎn)生的白光激光技術(shù)的基本原理和未來發(fā)展趨勢做出簡單的研究，介紹了該技術(shù)在社會各領(lǐng)域的一些應(yīng)用情況。

1 太陽光

太陽是萬物生長的必需條件，在太陽光的作用下，地球擁有了相應(yīng)的光源和熱量。實際上太陽光是一束白光，其中的頻譜涉及了紫外、可見、近紅外、中紅外波段，在可見光波區(qū)域的輻射能量最強，其中可以在光譜上見到已發(fā)布的紅橙黃綠青藍紫七種顏色，但是，因為太陽光是白色的，所以在下雨之后人類可以在天空見到彩虹，或者在太陽光下借助玻璃三棱鏡就可以看到七種顏色的光帶，這也是人類實踐經(jīng)驗。

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

2 激光

激光是在強烈輻射能量下產(chǎn)生了相應(yīng)的光放大現(xiàn)象，具備了單色性強、方向性好、亮度高以及相干性強等優(yōu)勢。也是因為和普通光源有著差異的優(yōu)勢，（幾種光源的平均光子流密度見表1，幾種光源的頻寬、相干時間及長度見表2），讓激光能夠廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展的各個領(lǐng)域中。再者，激光是單色光源，它的光譜帶寬比較狹窄，其中某一個單個激光器所產(chǎn)生的色彩只能覆蓋色度圖中的一個小點（見圖1），但是在色度圖中，很多色彩還需要在多個激光和復(fù)色光的作用下表現(xiàn)出來，當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。因為單色激光并不能直接產(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混合組成白光，運用超短脈沖和非線性介質(zhì)達到使用標準；還有運用白熾燈、LED等非激光技術(shù)方法來實現(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、相干時間及長度

是否可以創(chuàng)造一個單個芯片或器件，通過直接的產(chǎn)生方式形成白光激光，同時給予其激光和白光的優(yōu)點，同時達到能夠覆蓋各種色彩區(qū)域，這是當今非常火熱的研究話題，也是半導體材料在生長過程中需要面對的挑戰(zhàn)和改變。當然，白光技術(shù)也是非常有價值的研究內(nèi)容，這樣可以進一步拓寬激光的應(yīng)用領(lǐng)域，為人類的發(fā)展帶來更多可能。

3 白光激光的實現(xiàn)方案

在光學非線性效益的支持下產(chǎn)生超連續(xù)譜從而實現(xiàn)白光激光；利用非線性效應(yīng)實現(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)當中形成相關(guān)的相應(yīng)組合，以此可以在可見光范圍內(nèi)形成超連續(xù)譜激光。但是這個方案需要運用到超快激光來進行基頻輸入光，自然要投入大量的成本資金，在一些小型化和集成化的場景中難以充分發(fā)揮激光效果，并且將非線性材料和半導體相比，非線性進行激光轉(zhuǎn)換時，其效率遠遠低于半導體，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)計的時候就可以清楚知識光譜之間的強度，并且在后期難以有效控制各個光譜組的相對強度，進而不能動態(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)用和進步。

通過紅綠藍色激光混合形成白光激光；把RGB三色或者多個色彩激光混合組成白光激光，這一課題也是如今重點研究中所使用到方案。當混合使用三基色時，每一基色都可以進行相對獨立的控制，從而動態(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)域當中，比如現(xiàn)如今在市場上運用先進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一步完善，例如這些不一樣顏色的激光一般是單個加工形成分離組裝，難以形成批量化或小型化集成，因此在制作過程中會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

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

同時運用半導體材料構(gòu)造成白光激光技術(shù)，首先需要解決之前的技術(shù)難題：因為產(chǎn)生不同色彩的半導體，它們的晶格尺寸偏差較大，這樣不匹配的晶格，會導致在薄膜外延法一次性生長的顏色不同的半導體當中存在大量問題，從而影響著晶體光電質(zhì)量，難以達到材料的實際經(jīng)濟效益，實現(xiàn)材料價值。再者，長波廠半導體材料會將短波長半導體材料發(fā)出的光吸收完，如果不能有效控制這一問題，尤其是窄帶半導體將會全面吸收短波長半導體所發(fā)出的光，從而影響激光器數(shù)值準確率，最終達不到白光激光技術(shù)的要求，無法進行高效激射。該怎么解決這些技術(shù)問題，是制作半導體白光激光技術(shù)的重中之重。

5 納米半導體白光激光技術(shù)的出世

在2015年，亞利桑那州立大學與清華大學科研團隊通過幾年的努力，經(jīng)歷器件設(shè)計和材料生長的各種難關(guān)，終于在半導體白光激光技術(shù)上有了新的突破。與此同時，博士生樊帆、Sunay Turkdogan、劉志程等科研團隊人員利用納米半導體技術(shù)，將材料的生長參數(shù)進行變更，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，通過相互平行的方法，一次性生長為厚度不到頭發(fā)絲百分之一的單片半導體納米薄膜。

因為借助了納米半導體材料生長技術(shù)，使半導體生長以后，可以擁有高尚品質(zhì)的光學性能，同時還有耐受晶格失配功能，更加適合使用于RGB半導體的構(gòu)成中。另外，因為RGB的結(jié)構(gòu)是相互平行的，從而會形成三個并行的激光腔，進一步減少了長波長半導體材料對短波長半導體材料的發(fā)光吸收問題，讓RGB區(qū)域有可能進行同步激射。

科研團隊對RGB區(qū)域進行了抽運納米薄片，并運用動態(tài)化的調(diào)整方法提高各區(qū)域之間的發(fā)光強度，第一次通過單片半導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)。因為單體半導體繼承RGB材料對于白光激光技術(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)整材料生長參數(shù)，使該技術(shù)可以把多色半導體區(qū)域集合，并運到單片半導體的納米撥片上，最大程度上提高該技術(shù)的使用價值[3]。

6 納米半導體白光激光技術(shù)發(fā)展前景

納米半導體白光激光技術(shù)的出現(xiàn)，進一步優(yōu)化了人們在顯示、通信和照明等方面的應(yīng)用設(shè)計。

6.1 白光激光照明技術(shù)

當高載流子注入情況下，LED會的發(fā)光效率會直線下降，但是其中的激光照明并不會受到影響。對此，可以充分借助激光照明來突破LED當中的一些問題。并且在更早之前，美國新墨西哥大學、標準局以及國家實驗室工作研究表明，利用多個單色激光混合在一起，可以進一步集合成白光激光并應(yīng)用于照明方面，一般情況，測試者對于傳統(tǒng)白熾燈和LED光源與白光激光光源的區(qū)別不能精準分清。也就是說，因為白光激光是在多個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，因為直接集合成純的半導體白光激光技術(shù)會有一定的難度，并且激光照明技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展會受到相應(yīng)的限制，只能使用在藍光半導體激光激發(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。在未來的發(fā)展中，通過納米半導體白光激光技術(shù)的支撐，可以進一步突破在照明方面的應(yīng)用。

6.2 激光顯示技術(shù)

因為具備良好的單頻特點，作為基色光的激光能夠把基色色彩轉(zhuǎn)向色度圖的邊緣，以此可以實現(xiàn)更廣泛的色域覆蓋率。對此，和傳統(tǒng)現(xiàn)實技術(shù)相比，激光現(xiàn)實技術(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，更加容易實現(xiàn)高對比度。也正因為這些優(yōu)點，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)實技術(shù)還存在一些局限性，只能通過多個分立激光機械式封裝后，構(gòu)成現(xiàn)有的激光投影技術(shù)，這一過程并沒有將激光直接制作成顯示單元，并且該技術(shù)單元的現(xiàn)實效果會受到周邊環(huán)境光強度的影響，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 可見光無線通信技術(shù)

可見光無線通信是通過照明光源調(diào)整數(shù)據(jù)運輸形成全新的無線技術(shù)。因為照明技術(shù)隨處可見，同時和微波WIFI相比，LED的調(diào)制速度很快，所以將現(xiàn)有的照明設(shè)備進一步革新升級后，也就是可以通過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光無限通信方面。白激光技術(shù)是通過多個基色混合而成的激光，可以分別利用和重復(fù)使用其中的各個基色，實現(xiàn)多個通信寬帶的使用，這一方面的發(fā)展前景十分可觀。總之，在顯示技術(shù)和白光激光照明技術(shù)的進步和廣泛使用，在白光激光技術(shù)之上建立而成的LIFI技術(shù)有著非常可觀的發(fā)展前景[4]。

6.4 白光激光的現(xiàn)實應(yīng)用

大氣和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用；隨著人類的進步和發(fā)展，地球生態(tài)環(huán)境受到的污染越來越嚴重，這給人們的生活和工作帶來了大量的負面作用，尤其我國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)保問題逐漸成為我國發(fā)展的首要關(guān)注要素。現(xiàn)如今，國家和社會對環(huán)保方面的投入逐漸增加，也在其中應(yīng)用著越來越強大的檢測技術(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)境檢測方面起到重要的價值意義，并且我國已經(jīng)成立了專門的激光雷達環(huán)保部門。在環(huán)境檢測中使用激光技術(shù)，其基本原理是通過激光束和大氣之間的影響作用，激光會和大氣中的各種物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用，從而在信號光的作用下獲取相應(yīng)的內(nèi)部量子態(tài)和化學結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，全方位收集這些相關(guān)數(shù)據(jù)，進而可以得到有關(guān)的分布信息，為環(huán)保部門提供更加細致的大氣成分信息，并就此制定合理的應(yīng)對策略。其中，相對普通的激光雷達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)測功能。

生物醫(yī)學應(yīng)用；白光激光和普通激光一樣，都可以使用于生物醫(yī)學方面。例如流式細胞儀、超快動力學探測、精密光譜學等技術(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)、光學相干層析技術(shù)可以進行疾病診斷，同時還可以使用于光熱治療、激光美容、激光醫(yī)學等。在這些領(lǐng)域的使用說明白光激光擁有著更加明顯的優(yōu)勢。

運用于多模態(tài)生物成像和分析中；因為人體組織、器官以及細胞在光作用下會產(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，通過非線性光譜技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)、光學相干層析技術(shù)等監(jiān)測技術(shù)，來監(jiān)測人體組織中的變化，獲取相應(yīng)的診斷信息，從而是實現(xiàn)多模態(tài)生物成像。該技術(shù)的使用進一步推動了疾病診斷技術(shù)的發(fā)展。

激光美容：運用激光技術(shù)的光化學反應(yīng)、光熱效應(yīng)、光電效應(yīng)等化學物理效應(yīng)來清除表皮組織中的病變情況和冗余部分。因為表皮組織比較繁雜，需要借助高功率激光進行協(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)進入老百姓的日常生活，進一步提高了白光激光的地位和應(yīng)用范圍，起著重要的社會效益和經(jīng)濟效益[5]。

7 結(jié)語

通過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)和生活帶來更多便利。總而言之，形成有效的納米半導體白光激光技術(shù)后，我國有關(guān)科研團隊還將繼續(xù)研究白光激光電注入的運行方面，進一步提高該技術(shù)的實用性，以此推動該技術(shù)在各產(chǎn)業(yè)的使用和發(fā)展。在未來發(fā)展中，半導體白光激光技術(shù)會和普通激光技術(shù)一樣，進入人們的日常生活中。