基于单体纳米半导体的白光激光技术

来源:光电汇OESHOW    关键词:激光技术, 纳米半导体,    发布时间:2018-12-05

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白光激光,新的研究热点

 

众所周知, 激光是通过受激辐射产生的光放大,具有亮度高、方向性好、相干性强、单色性优异的特点。正是由于这些异于普通光源的优越性,造就了如今激光在各个领域的广泛应用。但另一方面,激光作为单色光源,其光谱带宽非常窄,使得单个九州体育产生的色彩仅能覆盖色度图近边界的区域的一个点(如图1),而色度图中心的大部分区域的色彩则需要通过复色光或多个激光共同实现,这其中就包含了白光。

图1 1931 色度图(图片来源:CIE 1931)

白光作为一种复色光,广泛的应用于照明、显示、成像、通讯等诸多领域。由于单色的激光无法直接产生白光,目前应用领域的白光主要是:

1)通过诸如LED,白炽灯等非激光技术手段实现;

2)借助多个不同颜色的激光混合产生;

3)利用超短脉冲和非线性介质来实现。

能否创造一个单个器件或芯片,直接产生白光激光,使其兼具激光的优良特性与白光的广泛应用前景,并覆盖更广泛的色彩区域,成为当今的研究热点,也为半导体材料的生长提出了严峻的挑战。与此相应,白光激光技术也成为一个重要的研究课题,以使得激光应用领域不断得到拓宽,造福人类生活的更多方面。

白光激光实现方案的比较

 

目前白光激光的实现方案大致可分为两类:

1通过光学非线性效应产生超连续谱实现白光激光

非线性效应产生白光激光的基本原理主要是利用超短脉冲激光在非线性介质中产生的各种非线性效应的组合,产生的一种在可见光范围内的超连续谱激光。由于该方案通常需要使用超快激光作为基频输入光,应用成本十分昂贵,且无法适应小型化与集成化的应用场景。而非线性材料相较于半导体而言,其激光的转换效率相对较低,一定程度上也阻碍了其在照明、显示等诸多高需求领域的应用。

另外,非线性方案所产生的超连续谱或高次谐波组,其光谱之间的相对强度在设计之初就已基本确定,很难实现对各光谱组分相对强度的实时控制,因而难以对出射激光色彩进行动态的调控,限制了其进一步的发展与推广。

2基于红绿蓝色激光合成实现白光激光

将红、绿、蓝(RGB)三色或多色激光合成实现白光激光是目前在研究领域采用较为普遍的方法。由于使用三基色混合,每一基色相对独立可控,易于实现对白光激光色彩与色温的动态控制,可以更灵活的应用于诸多领域,包括目前市场上的激光投影电视和激光多色显示等。基于RGB三色合成白光激光方案的主要难点及不足在于,这些不同颜色的激光通常是单个加工制作并分立组装,不易实现小型化与批量化集成,因而制作成本昂贵。

实现单体或单器件白光激光的难点

产生多色或白色激光源是科学家和工程师们长期以来的目标。关键的难点在于能否创造同时高效发出多色或红绿蓝基色的材料,以及将这些不同颜色的光在空间上区分并分别通过激光腔谐振放大为激光。胶体量子点是一个熟知的技术,但很难在空间上把各色量子点高效、准确区分,以实现高效电注入。其它非半导体材料,诸如稀土参杂的二氧化硅等、染料参杂的有机聚合物、染料液滴等、面临发光效率低,很难实现高效电子注入以及集成难度大等问题。而半导体材料具有高效率,易于电注入和易于集成等特点,一直是发光材料的首选。

而利用半导体材料实现白光激光,需要解决一个传统的技术难题:由于发射不同颜色的半导体往往晶格尺寸差别太大,这种晶格不匹配使得通过薄膜外延法一次性生长的这些不同颜色的半导体含有大量缺陷,造成晶体的光电质量下降,而无法满足材料的光学增益要求。其次,长波长半导体材料会吸收短波长半导体材料的发光,如果不能抑制不同半导体之间互相吸收其它材料发出的光,特别是短波长(如蓝色、绿色等)被窄带半导体(如发红光的半导体)所吸收,会导致九州体育无法达到阈值以上,而难以形成激射。因此,如何解决这两大技术难题,成为实现半导体白光激光技术的关键。

纳米半导体白光激光技术的诞生

2015年,由作者本人所在的亚利桑那州立大学和清华大学科研团队,经过几年的不懈努力,克服了器件设计和材料生长的多重难度,在《自然-纳米技术》上发文报道了其在半导体白光激光技术上的突破。博士生樊帆、Sunay Turkdogan、刘志程等团队科研人员借助纳米半导体技术,通过改变材料的生长参数,将具有RGB发光性能的三部分不同组分的锌镉硫硒四元合金材料,以相互平行结构方式(图2),一次生长成为厚度不到头发丝直径百分之一,长宽仅为头发丝约十分之一的单片半导体纳米薄膜。

图2 平行结构RGB半导体纳米薄片生长示意图以及产生的白光激光与多色激光(图片来源:《Nature Nanotechnology》)

由于采用纳米半导体材料生长技术,使得生长的半导体在耐受晶格失配的同时又具有高品质的光学性能,更适于对RGB半导体的集成。同时,相互平行的RGB结构,形成了三个并行的激光腔,最大程度地抑制了长波长半导体材料对短波长半导体材料发光的吸收,为RGB各区域的同时激射,创造了可能。

团队科研人员通过抽运纳米薄片的RGB区域,并动态的调整各区域之间的相对发光强度,首次在单片半导体介质上实现了白光激光,并在全色彩范围内可调(图2)。由于创造了单体半导体集成RGB增益材料,该白光九州体育宽度仅为目前超分辨屏像元宽度的四分之一,亦可作为像元开创激光平板显示的新领域。此外,通过进一步调控生长参数,该技术可将更多色的半导体区域集成在单片半导体的纳米薄片上,从而更加丰富了其应用价值。因此,该技术一经发表,即被包括德国《明镜周刊》在内的世界多家媒体的广泛报道,并被美国科技杂志《Popular Science》评选为当年工程类年度十佳发明。

纳米半导体白光激光技术的应用前景

纳米半导体白光激光技术的发明, 将有助于人们在照明、显示和通信等多个领域进行全新的应用设计和重大革新。

1白光激光照明技术

早在2013年,诺贝尔奖得主中村修二便提出激光照明取代LED成为下一代固态照明技术的构想。由于LED在高载流子注入的情况下,会出现发光效率下降,而激光照明则不受该限制。因此人们寄希望于利用激光照明突破LED所遇到的瓶颈。而更早之前,美国桑迪亚国家实验室、美国新墨西哥大学和美国标准局的工作表明,通过将多个单色激光混合而形成的白光激光用于照明,测试者无法区分白光激光光源与传统白炽灯及LED光源的区别(图3)。换而言之,由多基色或单频激光混合而成的白光激光,其对色彩的呈现质量并不亚于传统光源,从而打破了长期以来人们认为窄频激光不适合做照明显示的误解。该研究为白光激光技术在固态照明领域的应用奠定了实验基础。目前,由于直接实现集成式的纯半导体白光激光的难度,激光照明技术在产业领域的发展还仅限于利用蓝光半导体激光激发荧光物质而产生白光,并非真正意义上的白光激光。我相信,纳米半导体白光激光技术的出现将加速白光激光照明在产业领域的实现。

图3 多基色混合形成白光激光照明实验(图片来源:《Optical Express》)

2激光显示技术

鉴于优良的单频特性,激光作为基色光可以使得基色色彩更接近色度图的边缘,因而有助于覆盖更广泛的色域(图4)。因此,激光显示技术,相较于的传统显示技术(如LED背光LCD,OLED等),具有更好的色彩饱和度。另外,激光本身具有高亮度的特点,更易于实现高对比度。正因为这些优势,激光显示技术近些年得到了长足的发展。但现有的激光显示技术,还主要局限在将多个分立激光机械式封装而成的激光投影技术,而并非利用激光直接做成显示单元,其显示效果受到周围环境光强的影响,且成本昂贵,无法集成。纳米半导体白光激光技术的出现将有助于激光显示实现从激光投影技术到激光平板技术的跨越。

图4 激光显示技术于传统显示技术光谱的色域比较(图片来源:《Fabrication and Characterization of Semiconductor Nanolasers》)

3可见光无线通信技术

可见光无线通信(英文简称LIFI),是利用照明光源调制进行数据传输的全新无线技术。由于照明光无处不在,且LED的调制速度可以比现有的基于微波的WIFI高很多,因此只需对现有的照明设备进行升级,即可通过LIFI技术,高速接入互联网。而相较于LED,激光具有更高的调制速率(通常为LED的10-100倍),因而更适用于可见光无线通信领域。而白光激光,由于由多基色激光合成,可通过各基色的分别调制与复用,获得更多通信带宽,因而更具应用前景。可以预见,随着白光激光照明与显示技术的发展与普及,基于白光激光的LIFI 技术,可得到更广泛的推广。

在成功实现纳米半导体白光激光技术之后,我们目前正在向如何实现白光激光的电注入运转这一更实用化的目标迈进,同时团队也在积极探索该技术的产业化发展。相信,在不远的将来,半导体白光激光技术,将如同激光技术一样,走出实验室,走向千家万户。