手機(jī)的人臉識(shí)別、汽車的雷達(dá)測(cè)距、醫(yī)院的激光手術(shù)……這些場(chǎng)景都離不開(kāi)一個(gè)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干性，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”，支撐著通信、醫(yī)學(xué)、科研等多個(gè)領(lǐng)域的多重應(yīng)用。

正因如此，不斷迭代研發(fā)效率更高、體積更小、成本更低的激光器，成了全世界科學(xué)家追尋的目標(biāo)。記者日前在浙江大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，看到一個(gè)僅大拇指指甲蓋大小的方形器件，能發(fā)射肉眼難以直接觀察到的近紅外激光。這，就是世界上首個(gè)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器。

實(shí)現(xiàn)這一突破的，是浙江大學(xué)國(guó)際聯(lián)合學(xué)院/光電科學(xué)與工程學(xué)院狄大衛(wèi)教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團(tuán)隊(duì)，他們的相關(guān)研究成果此前已發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

這束中國(guó)激光，不僅為半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了新的方向，更有望讓激光技術(shù)走進(jìn)更微型、更節(jié)能的應(yīng)用場(chǎng)景，為下一代光電芯片、可穿戴設(shè)備等技術(shù)帶來(lái)全新可能。

研發(fā)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(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”

激光的基本原理早在1916年就被物理學(xué)家愛(ài)因斯坦提出，但直到1960年，激光才首次在實(shí)驗(yàn)室成功驗(yàn)證。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，激光器就像一個(gè)“光的放大器”，需要外部能量激發(fā)材料產(chǎn)生光子，再通過(guò)特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)讓光子不斷振蕩放大，最終形成穩(wěn)定的激光發(fā)射。

激光材料種類繁多，其中半導(dǎo)體激光器是信息技術(shù)領(lǐng)域的重要光源，但其傳統(tǒng)制造工藝工序復(fù)雜且成本高昂。鈣鈦礦半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體和量子點(diǎn)等新型激光材料則展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。其中，鈣鈦礦半導(dǎo)體因可實(shí)現(xiàn)各種色彩的激光，且在光驅(qū)動(dòng)條件下能實(shí)現(xiàn)極低的激光發(fā)射閾值，具有十分優(yōu)異的技術(shù)前景。然而，光驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器依賴龐大且昂貴的外置光源（比如價(jià)值百萬(wàn)元的飛秒激光器），限制了實(shí)際應(yīng)用。

驅(qū)動(dòng)激光的過(guò)程按照外部能量源，主要分為光驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)。在鈣鈦礦激光領(lǐng)域，從“光驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)向“電驅(qū)動(dòng)”的核心矛盾之一是，鈣鈦礦半導(dǎo)體雖在光的激勵(lì)下容易產(chǎn)生激光，但一旦改為電驅(qū)動(dòng)，較高的電場(chǎng)、電流及隨之產(chǎn)生的熱量會(huì)立即引發(fā)材料降解和光學(xué)性能下降，導(dǎo)致激光難以產(chǎn)生。

狄大衛(wèi)將這個(gè)重大挑戰(zhàn)分解為兩個(gè)問(wèn)題，光子學(xué)問(wèn)題與電子學(xué)問(wèn)題。在光子學(xué)方面，需要尋找理想的鈣鈦礦增益介質(zhì)，同時(shí)構(gòu)建低損耗、高精密的光學(xué)反饋結(jié)構(gòu)；在電子學(xué)方面，需要實(shí)現(xiàn)大電流、高功率的鈣鈦礦器件，為此需要突破鈣鈦礦材料在電場(chǎng)下不穩(wěn)定的難題，還需要大幅增加器件亮度、縮小器件尺寸。

然而，在鈣鈦礦光電器件里同時(shí)達(dá)到這些條件極其困難。

“這是鈣鈦礦光電子學(xué)中普遍認(rèn)為的、難以解決的最大挑戰(zhàn)，其難度來(lái)源于需要在多學(xué)科交叉的邊界探尋極限。”狄大衛(wèi)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(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器需要攻克光子學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)、器件物理等學(xué)科交叉的多項(xiàng)難題。這項(xiàng)研究就像攀登鈣鈦礦光電子學(xué)領(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”。

狄大衛(wèi)在半導(dǎo)體光電的道路上探索了近20年。在澳大利亞新南威爾士大學(xué)，他完成了關(guān)于硅太陽(yáng)能電池的本科學(xué)習(xí)和工程學(xué)博士研究，掌握了在半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。為了將自己的研究視野從光伏領(lǐng)域拓展到發(fā)光領(lǐng)域，2012年，狄大衛(wèi)前往英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室攻讀物理學(xué)博士。2014年，他所在的課題組成功研制出全球首個(gè)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?qū)嶋H應(yīng)用。

真正的未來(lái)，在于電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的實(shí)現(xiàn)——它更小、更集成、更有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。懷揣這樣的決心，2018年，狄大衛(wèi)回國(guó)加入浙江大學(xué)，并迅速布局：搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，組建團(tuán)隊(duì)，先后引進(jìn)趙保丹、鄒晨等多名青年人才，向領(lǐng)域難題發(fā)起挑戰(zhàn)。

2020年，狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)獲得浙江省的支持，開(kāi)展半導(dǎo)體光電子學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究，其中也涉及電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的計(jì)劃。為了讓團(tuán)隊(duì)能有更充足的實(shí)驗(yàn)空間，海寧市政府、浙江大學(xué)國(guó)際聯(lián)合學(xué)院（海寧國(guó)際校區(qū)）給予了一系列支持。“學(xué)校和政府有足夠的耐心和信心，愿意支持高風(fēng)險(xiǎn)的前沿研究，這正是科研最需要的環(huán)境?！钡掖笮l(wèi)說(shuō)。

狄大衛(wèi)（左）和鄒晨在實(shí)驗(yàn)室討論鈣鈦礦激光器設(shè)計(jì)方案

闖過(guò)多個(gè)“領(lǐng)域之最”的難關(guān)

這并不是一場(chǎng)可以速戰(zhàn)速?zèng)Q的“戰(zhàn)役”。過(guò)去7年，狄大衛(wèi)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的大多數(shù)研究，都在為電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的研制奠定基礎(chǔ)。

“電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的實(shí)現(xiàn)，背后是多項(xiàng)技術(shù)的突破。”狄大衛(wèi)給記者舉了四個(gè)“領(lǐng)域之最”——實(shí)測(cè)壽命最長(zhǎng)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?！斑@些技術(shù)積累，為我們實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器奠定了基礎(chǔ)?！钡掖笮l(wèi)說(shuō)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LED（發(fā)光二極管）和半導(dǎo)體激光器（如激光二極管）是“親戚”，它們都利用半導(dǎo)體材料發(fā)光?！扳}鈦礦LED技術(shù)就像電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器的‘地基’，需要先建設(shè)穩(wěn)定的地基，才能在上面建造大廈?！钡掖笮l(wèi)介紹。

第一個(gè)實(shí)現(xiàn)突破的是超長(zhǎng)壽命的鈣鈦礦LED。2021年2月，狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)的碩士生郭兵兵，報(bào)告了一個(gè)特別的現(xiàn)象。彼時(shí)郭兵兵正在進(jìn)行鈣鈦礦LED的穩(wěn)定性研究。當(dāng)時(shí)學(xué)界普遍認(rèn)為，這類器件“本性脆弱”，幾乎不可能達(dá)到如OLED般的長(zhǎng)壽命。在反復(fù)實(shí)驗(yàn)中，郭兵兵注意到一個(gè)特殊樣品：它的衰減速度，竟然比當(dāng)時(shí)國(guó)際報(bào)道中最穩(wěn)定的同類器件還要緩慢。

這是一次偶然，還是一個(gè)新的突破方向？郭兵兵陷入困惑——測(cè)試方案是根據(jù)國(guó)際通用測(cè)試LED的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行，如果追蹤這個(gè)“異常”樣本，實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案就要重新調(diào)整，也意味著要花費(fèi)更多的時(shí)間和成本，會(huì)不會(huì)得不償失？

他向狄大衛(wèi)報(bào)告了這一現(xiàn)象。狄大衛(wèi)鼓勵(lì)和開(kāi)導(dǎo)他：“科學(xué)研究中，最珍貴的往往就是這些‘異?！５?yàn)證它，需要比發(fā)現(xiàn)它多十倍、百倍的耐心，放心大膽去做。”并提議可以參照OLED領(lǐng)域的通用方法，對(duì)器件進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)，或許能看得更清楚。

于是，師徒倆這場(chǎng)持久觀察戰(zhàn)開(kāi)始了。在設(shè)備工程師的協(xié)助下，郭兵兵搭建起新的測(cè)試系統(tǒng)，啟動(dòng)了更為嚴(yán)苛的穩(wěn)定性考核。結(jié)果令人震驚，經(jīng)過(guò)雙極性分子穩(wěn)定劑處理的鈣鈦礦LED，在5mA/cm2的恒定電流下，連續(xù)運(yùn)行3600小時(shí)，亮度曲線幾乎持平，未見(jiàn)衰減。

興奮之余，他們決定挑戰(zhàn)極限，建立了一套更嚴(yán)苛的測(cè)試協(xié)議：擴(kuò)大電流測(cè)試范圍、增加樣品數(shù)量，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦LED器件穩(wěn)定性在不同電流密度下，均比當(dāng)時(shí)最穩(wěn)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(fā)表，消除了鈣鈦礦LED可能“本征不穩(wěn)定”的隱憂。

這也給團(tuán)隊(duì)打了一針強(qiáng)心劑。接下來(lái)，如何讓器件的發(fā)光亮度進(jìn)一步提高？狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)的博士生熊文濤聚焦鈣鈦礦半導(dǎo)體電學(xué)摻雜的難題，顯著提高了發(fā)光亮度?！拔覀冄邪l(fā)的鈣鈦礦LED，其亮度達(dá)到116萬(wàn)尼特，相當(dāng)于正午太陽(yáng)照在地面亮度的30倍?！毙芪臐f(shuō)。這一突破，如同為鈣鈦礦發(fā)光器件鍛造了強(qiáng)勁的“心臟”，為實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)激光清除了另一個(gè)障礙。

另一項(xiàng)突破來(lái)自狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)的博士生連亞霄，他開(kāi)發(fā)了微型與納米鈣鈦礦LED，像素尺寸覆蓋范圍從幾百微米一直到90納米，創(chuàng)造了世界上最小的LED。當(dāng)傳統(tǒng)半導(dǎo)體LED的尺寸降低到微米級(jí)時(shí)，性能會(huì)急劇衰退，但微型與納米鈣鈦礦LED不僅可以保持可觀的效率，還擁有極高的色彩純度。這項(xiàng)突破，展示了微納鈣鈦礦光源可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)極其微小與高效。

狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)的核心成員、研究員鄒晨，在鈣鈦礦半導(dǎo)體光學(xué)微腔中，實(shí)現(xiàn)了室溫下穩(wěn)態(tài)的激子極化激元玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，這種宏觀量子態(tài)可以大幅降低激光閾值?；谶@一原理，鄒晨制備了高質(zhì)量的單晶鈣鈦礦光學(xué)微腔，在光泵浦下實(shí)現(xiàn)了目前最低閾值（0.4W/cm2）的連續(xù)波鈣鈦礦激光，相比當(dāng)前性能最優(yōu)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器，其閾值僅為后者的1/30左右。

這意味著，未來(lái)基于此技術(shù)制造出的激光器，將變得更節(jié)能、高效。超低功耗將使得激光技術(shù)能更廣泛地融入對(duì)能效要求較高的領(lǐng)域，如未來(lái)的高性能手機(jī)顯示、可穿戴設(shè)備、植入式醫(yī)療傳感及大規(guī)模光子計(jì)算芯片中，為下一代光電子器件奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。

“鈣鈦礦半導(dǎo)體激光器的制備，或許可以類比為制造汽車，”狄大衛(wèi)說(shuō)，“發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)等核心部件我們都攻克了，但最后的精密組裝同樣關(guān)鍵?！彼忉尩溃@個(gè)過(guò)程需要用各種微觀工藝構(gòu)筑一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：先后采用真空鍍膜、溶液旋涂、晶體生長(zhǎng)等技術(shù)，將數(shù)十層功能材料嚴(yán)絲合縫地疊加在一起，每一步的材料、厚度和順序都需精確控制。

鄒晨主動(dòng)承擔(dān)了這項(xiàng)挑戰(zhàn)。為了構(gòu)筑電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器并搭建與之匹配的測(cè)試系統(tǒng)，鄒晨日夜不停地調(diào)試、組裝、優(yōu)化。在團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)助下反復(fù)探索可能的器件結(jié)構(gòu)，搭建激光器測(cè)試系統(tǒng)。

2024年5月，他們終于在采用雙光學(xué)微腔設(shè)計(jì)的集成式鈣鈦礦器件中，觀測(cè)到期待已久的電驅(qū)動(dòng)激光。為驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，團(tuán)隊(duì)又投入更嚴(yán)格的復(fù)測(cè)與系統(tǒng)優(yōu)化。又經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)月對(duì)器件的優(yōu)化改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)重復(fù)性驗(yàn)證后，世界首個(gè)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器，在浙大、在中國(guó)誕生了！

把今天的“首創(chuàng)”變成明天的“日常”

事實(shí)上，狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)研制的電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器僅需92A/cm2的電流密度即可啟動(dòng)，這個(gè)數(shù)值僅為目前性能最優(yōu)的有機(jī)半導(dǎo)體激光器所需電流的1/10。

“通俗來(lái)說(shuō)，就像一臺(tái)新引擎，用更小的‘油門(mén)’就能平穩(wěn)點(diǎn)火，意味著效率更高、能耗與發(fā)熱更小?！钡掖笮l(wèi)介紹，該器件的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新在于其雙光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，即把兩個(gè)光學(xué)腔單元精巧耦合，使內(nèi)部光耦合效率提升至82.7%，大幅增強(qiáng)了光放大能力。

但這并不意味著研究的終點(diǎn)，而是新的起點(diǎn)。

“電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器領(lǐng)域仍處于‘?huà)雰浩凇?，我們的下一次攀登，是解決它‘長(zhǎng)大成人’道路上的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——更簡(jiǎn)潔的器件結(jié)構(gòu)和更長(zhǎng)久的穩(wěn)定性，從而推動(dòng)它真正走出實(shí)驗(yàn)室，走向規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用?！钡掖笮l(wèi)說(shuō)。

攀登珠峰，不滿足于登頂一次。狄大衛(wèi)透露，團(tuán)隊(duì)正為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更精簡(jiǎn)的單腔激光二極管不斷努力。與已實(shí)現(xiàn)的集成式雙腔激光器相比，單腔設(shè)計(jì)更有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。這是邁向高效率、低能耗、微型化激光器的關(guān)鍵一步，讓它從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的可能性大大增加。

在此之后，他們還需克服穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，研究重心也會(huì)從“從無(wú)到有”的原理與概念突破，轉(zhuǎn)向攻克“從有到優(yōu)”的難題?！霸谖磥?lái)，我們不僅要讓鈣鈦礦激光器在實(shí)驗(yàn)室的理想環(huán)境中工作，還要確保它在高溫、高濕、持續(xù)電流沖擊等更接近真實(shí)應(yīng)用的嚴(yán)苛考驗(yàn)下，依然保持性能可靠、壽命持久。”狄大衛(wèi)說(shuō)。

這項(xiàng)技術(shù)成熟后，將如何重塑我們的生活？

想象一下，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，微型激光器能被集成進(jìn)智能手表的表盤(pán)之下。它發(fā)射的特定波長(zhǎng)可無(wú)創(chuàng)穿透皮膚，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)血糖、血氧甚至乳酸代謝水平，讓你手腕上的設(shè)備從一個(gè)運(yùn)動(dòng)記錄儀，升級(jí)為個(gè)人的“健康預(yù)警中心”。

或許，你的眼鏡還能直接投射屏幕，手機(jī)之間可通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，交互方式或因此迎來(lái)變革。

這項(xiàng)突破，標(biāo)志著我國(guó)在下一代光電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中，正從長(zhǎng)期的“跟隨者”，轉(zhuǎn)向關(guān)鍵的“定義者”。其戰(zhàn)略意義，遠(yuǎn)不止于一項(xiàng)國(guó)際首創(chuàng)，而在于它可能重構(gòu)部分產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)路線。

從“跟跑”到“并跑”，再到如今在若干領(lǐng)域前沿“提前搶占身位”，這一轉(zhuǎn)變的背后，是國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)研究與前沿技術(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定的支持，以及一線科研工作者敢于瞄準(zhǔn)各自領(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”發(fā)起攻堅(jiān)的戰(zhàn)略定力。這項(xiàng)成果，不僅是一篇頂級(jí)論文，更是一個(gè)清晰的信號(hào)：中國(guó)光電研究，已具備在世界創(chuàng)新版圖上開(kāi)辟新大陸的勇氣與能力。它就像一顆至關(guān)重要的“種子”，未來(lái)可能生長(zhǎng)出一片更具原創(chuàng)性、自主性與競(jìng)爭(zhēng)力的中國(guó)光電信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)“森林”。

一束光的誕生

本報(bào)記者 褚晶君 整理

激光并不是自然界發(fā)出的光，而是通過(guò)“受激輻射”放大的光。激光的理論基礎(chǔ)是愛(ài)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(fā)時(shí)可以發(fā)出光，并且這種光是相干的。但在這以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，有關(guān)受激輻射的研究并未引起人們的足夠重視。

1958年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯和阿瑟·肖洛在《物理評(píng)論》上共同發(fā)表論文《紅外和光量子放大器》，提出第一個(gè)實(shí)際激光器的概念，預(yù)言了激光的可行性。

突破在1960年5月16日。美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室的西奧多·梅曼將一個(gè)手指大小的紅寶石晶體精心包裹在螺旋形閃光燈中，當(dāng)閃光燈瞬間點(diǎn)亮，世界第一束激光——波長(zhǎng)為694.3納米的紅色激光——從紅寶石中迸發(fā)而出。這束光不像普通光源那樣發(fā)散，而是筆直、集中、純凈。梅曼在實(shí)驗(yàn)筆記中簡(jiǎn)單記錄：“紅寶石激光器成功運(yùn)行”，科學(xué)史上一個(gè)全新領(lǐng)域就此開(kāi)啟。

1961年9月，我國(guó)光學(xué)科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士王之江、鄧錫銘等研制成中國(guó)首臺(tái)紅寶石激光器，開(kāi)啟了中國(guó)的激光史。

此后，更多類型的激光器相繼問(wèn)世：氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器、化學(xué)激光器……激光技術(shù)迅速發(fā)展，從實(shí)驗(yàn)室走向廣闊應(yīng)用天地。

從超市掃碼器到眼科手術(shù)臺(tái)，從光纖通信到核聚變研究，激光已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的工具，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，激光被認(rèn)為是20世紀(jì)以來(lái)繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體之后的又一重大發(fā)明。

這束特殊的光，不僅照亮了我們的物質(zhì)世界，更閃耀著人類智慧的光芒。

1月28日，《浙江日?qǐng)?bào)》前沿周刊刊發(fā)《浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功研制世界首個(gè)電驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦激光器 中國(guó)激光：最快的刀 最準(zhǔn)的尺 最亮的光》。