江子琦， 劉曉梅， 柳 華， 彭 鵬

(海南大學 機電工程學院，海南 ?？?570228)

1 引 言

1960年，第一臺激光器問世。伴隨著激光技術的創(chuàng)新和發(fā)展，激光器在我們的日常生活及科技發(fā)展等領域扮演著越來越重要的角色。從氣體激光器到半導體激光器再到光纖激光器和飛秒脈沖激光器，激光的光束質量、脈沖寬度、輸出功率、時空相干性等性能得到了極大的提升。激光白光光源作為新興的激光光源，是通過激光來產生高亮度白光的一種照明光源技術[1-2]，具有頻率覆蓋范圍廣、亮度高、功率峰值高、方向性強、工作壽命長、空間相干性和時間相干性強等優(yōu)點，在科研國防、照明顯示、通訊信息、醫(yī)學檢測、工業(yè)生產等領域都發(fā)揮了其實際作用。與單色激光相比，激光白光光源因能覆蓋可見光譜所有波長，克服了激光單色性給激光發(fā)展應用帶來的限制，成功將激光技術應用于激光照明和激光顯示領域并展現了巨大的發(fā)展?jié)摿?。與此同時，因光子可攜帶更多的信息和能量，使得激光白光光源在光通信及高功率切割中也具有廣闊的應用前景。

20世紀60年代以來，半導體物理學的發(fā)展推動了半導體激光器的快速發(fā)展。半導體激光器因具有體積質量小、使用壽命長、結構簡單、易于實現光電子集成和電光轉換效率高等優(yōu)點，成為世界上發(fā)展最快并成功實現商業(yè)化的一類激光器。隨著半導體激光器發(fā)展的深入和市場需求的變化，利用半導體激光合成白光光源成為研究熱點。目前，半導體激光白光光源的合成方案主要有兩種：一種為紅綠藍3基色激光合成；另一種則是單色激光激發(fā)熒光材料轉換。前者雖容易獲得電光轉換效率高且顯色性好的白光光源，但存在白光輸出功率低，成本高的問題；后者是基于混色原理所得，雖無散斑現象且成本低、工藝簡單，但熒光材料存在的斯托克斯損耗使電光轉換效率降低，輸出白光的某些激光特性被削弱，如準直性、能量密度等。如何產生穩(wěn)定高輸出功率及色溫接近于標準白光的半導體激光白光光源是需要重點解決的問題。分析和掌握各種激光白光光源的原理、性能和特點，有利于促進激光技術的應用，使其在更多的領域發(fā)揮更好的作用，創(chuàng)造更高的價值。

2 國內外發(fā)展現狀

2.1 國外研究現狀

2005年，日本Nichia公司在FPD研討會上公布了利用半導體激光器獲得白光輸出的消息。他們分別使用了波長為445 nm的GaN基半導體激光器和波長為405 nm的藍紫光半導體激光器。GaN半導體激光激發(fā)黃色熒光粉后的白光顯色指數Ra為72，短波的藍紫光半導體激光激發(fā)多種熒光材料后白光顯色指數Ra提高至86[3]。兩年后該公司用500 mW半導體激光器激發(fā)熒光粉獲得了光通量為96 lm的白光光源[4]。

2008年，日本科學家S.Saito在注射電流為1 A的情況下，利用405 nm的GaN基半導體激光器激發(fā)熒光粉得到了光通量200 lm和光效為42 lm/W的白光光源，其電光轉換效率達到了40%[5]。

2010年，韓國Inha大學的Ryu等采用了Nichia公司相同的方法，他們將445 nm的半導體激光耦合進400 μm的塑料光纖中，讓激光激發(fā)涂在光纖另一頭的YAG黃色熒光粉。當注入電流達0.1 A時，得到了光通量5 lm和光效為10 lm/W的白光光源。作者認為造成光效低的主要原因是實驗中激光器的效率僅為8.5%，其次在藍光激發(fā)熒光粉時的斯托克斯損耗達20%[6]。

2011年，美國桑迪亞國家實驗室利用4臺獨立的大型激光器實現了高質量的白光激光輸出，但由于體積太大限制了其在照明或顯示等領域的應用[7]。

2013年，Kristin[8]等通過402 nm的近紫外半導體激光器激發(fā)紅、綠、藍3原色熒光粉和442 nm的藍光半導體激光器激發(fā)YAG∶Ce黃色熒光粉，得到了不同CIE指標的白光光源。相比之下，藍光激發(fā)黃色熒光粉得到的白光發(fā)光效率更高，但是顯色性較差。

2015年，日本Shingo等人通過氮化物-藍色半導體激光器和黃色熒光材料的組合得到了光通量為250 lm的白光[9]。

2016年，C．Foucher等人將紅、綠、藍3種DFB激光器采用兩種放置方式(相鄰和垂直)放置在超薄柔性玻璃基板上得到了42 μJ/cm2的白光激光輸出[10]。

2017年，Changmin Lee等人采用近紫外激光器激發(fā)紅綠藍3色熒光粉實現了大于1 Gbit/s的數據速率，產生了顯色指數79、色溫4 050 K的白光[11]。與使用藍色激光器和YAG∶Ce熒光粉相比，該系統(tǒng)能同時滿足高質量照明和高速低噪聲通信的要求。

2.2 國內研究現狀

2008年，Xu等[12-13]利用405 nm近紫外半導體激光分別激發(fā)紅、綠、藍3基色熒光粉和黃色與紅色混合的熒光粉的方式獲取白光。實驗結果顯示，當注入電流都為0.8 A時，采用405 nm近紫外半導體激光激發(fā)黃色與紅色的混合熒光粉得到的白光質量更佳，此時白光的光通量為5.7 lm，光效為13 lm/W，色溫5 200 K，顯示指數達70。

2014年，電子科技大學羅智田等[14]使用450 nm半導體藍色激光激發(fā)YAG黃色熒光粉實現白光輸出，并研究了摻YAG熒光粉的氮化物紅色熒光粉。結論是隨著氮化物紅色熒光粉的含量增多，輸出白光源的顯色指數也隨之增多至出現峰值，顯色指數最高可達69.3。

2017年，Yi Yang等人[15]設計了一款小尺寸的半導體激光驅動熒光粉板獲取白光的裝置，無需遠程熒光粉配置。當驅動電流為3 A時，得到了光通量850 lm，色溫6 990 K，最大光效70 lm/W的白光。但是由于此裝置的尺寸過小，限制了其應用場景。

2018年，Yang等[16]使用638 nm的紅光、520 nm的綠光和450 nm的藍光合成了高均勻的白光，設計了一種微透鏡陣列光束均勻化系統(tǒng)以實現白光的均勻化處理，最終得到了顯色指數64.8，色溫5 171 K，光照強度×104lx的白光，并且證明了基于RGB3基色激光器合成白光的光學系統(tǒng)可實現高數據速率可見光通信和高質量照明的潛力。同年，顏博霞[17]等人使用紅綠藍三基色激光器合成白光，通過顏色配比、光纖合束，得到了色溫略低于理論值約15%的白光激光輸出。其中紅光和藍光都采用半導體激光器，而綠光采用固體倍頻綠光激光器。由于固體倍頻綠光激光器本身的特性相干性太強，很容易產生散斑并影響照明或視覺效果。

2019年，田景玉等[18]使用高功率三色半導體激光器直接用作白光合成光源。 產生的6 480 K色溫大約等于6 500 K的標準白光色溫，輸出達到58.4 W。另外，這種結構允許通過電流直接調節(jié)三基色激光器的功率比。該研究直接使用半導體激光束耦合技術用于開發(fā)白光照明源要比采用倍頻藍光、綠光光源更具優(yōu)勢。

3 半導體激光獲取白光光源的方案

3.1 單色激光利用熒光材料轉換

3.1.1 藍色激光激發(fā)黃色熒光功能材料轉換

該方案的原理如圖1所示，即藍色激光器所發(fā)射出的部分藍色激光投射于黃色熒光粉上并被黃色熒光粉吸收后發(fā)射出黃色光，再與未被熒光粉吸收的藍光混合形成白光。為了提高色彩還原度及減少色彩校正過程中的亮度損失，也可將紅色激光器與藍色激光器配合使用。

圖1 藍色激光激發(fā)黃色熒光粉轉換成白光原理圖Fig.1 Schematic diagram of blue laser exciting the yellow phosphor to convert into white light

3.1.2 近紫外激光激發(fā)三原色熒光功能材料轉換

該方案是由藍色、黃色熒光粉和近紫外激光來完成的，原理如圖2所示。近紫外激光被藍色熒光粉吸收后發(fā)射出藍光，之后黃色熒光粉將部分藍光吸收發(fā)射出黃光，得到的藍光和黃光混合最終完成白光的獲取。這種方法色彩還原度高，但是使用多種熒光粉會造成光源不穩(wěn)定[19]，在轉換過程中斯托克斯損耗的能量也更多。

圖2 近紫外激光激發(fā)三原色熒光材料原理圖Fig.2 Schematic diagram of near-ultraviolet laser excitation of three primary color fluorescent materials

這兩種方案都是基于混色原理所得，借鑒了白光LED[20-21]的出光原理，但是與LED不同的是，利用激光獲取白光光源所需的熒光材料性能要求會更高，以承受激光的沖擊。熒光材料的選擇直接決定了輸出白光光源的質量(亮度、色溫、穩(wěn)定性等)。近年來一些導熱性突出的熒光材料迅速發(fā)展，如單晶、陶瓷等。目前，低功率白光激光照明大多采用熒光粉加樹脂硅膠的封裝方式，而中高功率的白光激光照明則是優(yōu)先選擇導熱性好及生產工藝簡易的陶瓷材料[22]。

利用半導體激光激發(fā)熒光材料的光學系統(tǒng)主要由光束整形模塊和熒光體轉換模塊組成。

(a)光束整形模塊。此模塊是為了對激光進行光纖耦合及準直擴束的操作。光纖耦合能使激光的光纖質量大幅提升，而準直擴束能起到擴大激光激發(fā)面積的作用。

(b)熒光體轉換模塊。利用激光激發(fā)熒光粉會發(fā)生復雜的光學反應，Tracepro光學仿真軟件可以幫助我們分析熒光粉的參數變化對最終輸出白光質量的影響，從而確定輸出最佳白光質量的熒光粉參數值。

3.2 紅、綠、藍三基色激光合成

根據三原色原理可知，只需調整紅綠藍三基色的比例，就可以得到自然界中的大多數顏色。因此若能調整好紅綠藍三基色的比例，利用三基色激光合成白光激光是可行的。該方案的實現過程是使用獨立的紅、綠、藍三基色激光器，對發(fā)出的3種顏色激光進行顏色功率配比，輸出的3種顏色的激光經過空間合束、波長合束后耦合進光纖，最終輸出白光。此過程顏色的功率配比決定了最后輸出白光的色彩與色溫等效果。

3.2.1 合束結構

基于紅、綠、藍三基色激光合成白光的過程如圖3所示，3個激光單元各自經過準直后，通過反射鏡實現空間合束，再經過兩次波長合束實現白光激光的輸出。

圖3 紅、綠、藍三基色激光光纖耦合過程Fig.3 Red, green and blue laser fiber coupling process

3.2.2 功率配比

根據三原色原理可知，在確定目標顏色后，即可計算出3種原色的比例，比例的多少通常由顏色的三刺激值來表征。由色度學原理，當將具有已知亮度值和色度坐標的兩種或更多種顏色相加并混合時，混合色的亮度和色度坐標可以根據CIE 1931標準色度系統(tǒng)獲得。

假定某顏色的三刺激值為X、Y、Z，色品坐標為(x，y)，亮度為u，則三者滿足

(1)

其中三刺激值與色品坐標之間的關系為：

(2)

在將三基色RGB激光合成白光時，三基色RGB激光器的波長和亮度已知，設紅、綠、藍三色色品坐標分別為(xR，yR)，(xG，yG)，(xB，yB)，對應其三刺激值為(XR，YR，ZR)，(XG，YG，ZG)，(XB，YB，ZB)。此時，白光的三刺激值(X0，Y0，Z0)與紅、綠、藍三基色的三刺激值關系為:

(3)

由式(2)可類比得到白光的色品坐標為：

(4)

假定紅、綠、藍三色的亮度比為LR∶LG∶LB，由式(1)、(3)、(4)可得：

(5)

亮度L與功率P之間的關系為:

L=Km·V(λ)·P

(6)

其中：Km為光譜光視效能，其值為683 lm/W，V(λ)為視見函數。則對于選定的三原色光，其功率之比為：

(7)

通過以上過程可求得三原色合成白光時的功率配比。

這兩種利用半導體激光獲取的白光光源都不屬于真正意義上的白激光。真正意義的白光激光應具備傳統(tǒng)激光除單色性以外的所有激光特性，并且其光譜應和太陽光譜一致。基于多色或單色激光獲得的白光光源并沒有做到“激光進，激光出”，喪失了很多激光的優(yōu)良特性，因此不能作為一個獨立的、真正意義上的白激光。

4 半導體激光白光光源技術應用

4.1 激光照明技術

早在2011年，美國桑迪亞國家實驗室通過將4個單色激光合束形成的白光用于照明，測試者無法區(qū)分激光形成的白光與LED光源及白熾燈光源的區(qū)別，這就說明通過多基色或單頻激光形成的白光光源呈現出的色彩質量并不會比傳統(tǒng)光源差。因此，它消除了人們長期以來的誤解，即窄帶激光不適用于照明顯示。白光激光照明目前主要應用于特種照明、車輛照明、軍事工具照明、醫(yī)療照明等。自2014年以來，寶馬、奧迪和路虎等車企陸續(xù)推出了配備有激光大燈的高端車型[23]，使用激光頭燈相比LED來說改善了遠光照明，照明距離翻倍至600 m，一定程度地增強了夜間駕駛員的行車安全性，優(yōu)化了高速駕駛視覺體驗。同時，基于數字微反射鏡(DMD)裝置的新一代數字化汽車照明技術也迫切需要具有高亮度和高流明輸出的白光光源[24]。2019年，納麗德公司推出一款白激光手電，實現了白色激光手持照明，且遠射距離達1 100 m。目前，激光照明技術在產業(yè)領域的發(fā)展還僅限于利用藍光半導體激光激發(fā)熒光物質而產生白光。相信隨著半導體激光白光光源技術的發(fā)展，白光激光照明將會在產業(yè)領域加速實現。

4.2 激光顯示技術

激光顯示技術是繼黑白顯示、標準彩色顯示、數字顯示之后的新一代顯示技術，具有色域廣、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點。鑒于激光的高單色性，它可以產生色坐標接近色空間邊界的分量色光。因此，激光可以實現比傳統(tǒng)顯示器(如陰極射線管(CRT)、LED背光液晶顯示器(LCD)或基于寬帶非相干光源的有機發(fā)光二極管(OLED))更寬的色域(超過人眼可感知的所有顏色的90%)，使顯示效果及清晰度等都達到極致。此外，由于激光器本身具有高亮度的特征，因此容易實現高對比度，正是這些優(yōu)點推動了近年來激光顯示技術的進步。限于當前綠色和紅色半導體激光器的功率和成本等因素，市場上現有的激光顯示產品大多數都是通過激光光源和LED光源的混合顯示產品或激光激發(fā)熒光材料來實現的。未來，激光顯示器的主要研究和發(fā)展方向是將激光用作新型投影光源，向著大屏幕方向的發(fā)展以及通過三基色激光束在屏幕上快速掃描進行直接成像，這就要求系統(tǒng)的輸出功率、色溫穩(wěn)定性達到一定高度。

4.3 可見光無線通信技術

激光不僅是能量的載體，也是信息的載體。作為信息的載體，激光可應用于自由空間的通訊，如太空和海洋內部。由于白色激光具有較寬的通信頻帶，因此與普通的單色激光器相比，它能攜帶更多的信息并且特別適合于海洋中潛艇之間的自由空間激光通信。

可見光無線通信(Light Fidelity，LiFi)是使用可見光波譜調制進行數據傳輸的無線傳輸技術。由于可見光遍布我們周圍，與此同時，LED的調制速度比現有的基于微波的WIFI的調制速度快得多，因此若要通過LIFI技術高速訪問互聯網，我們需要做的就是升級現有的照明設備。與LED相比，激光具有更高的調制速率(通常是LED的10～100倍)，因此更加適合應用于可見光無線通信中。白光激光器具有更多潛在的應用，因為它們可以與多基色激光器結合使用，因此可以與每種原色進行調制和復用以獲得更多的通信帶寬。隨著白光激光照明和顯示技術的發(fā)展和普及，基于激光白光光源的LIFI技術有望得到更廣泛的推廣。

5 半導體激光白光光源技術應用于水下探測的展望

海洋——生命的搖籃，約占地球表面積的71%。在20世紀中時人類開始探索和利用海洋世界，但目前為止，還有95%的海底世界是未知的。隨著人類對海洋的進一步觀測和開發(fā)，水下光源的研究不可或缺，目前，水下常用的光源有LED、鹵鎢燈、激光等。在水下照明領域，國外研究仍遙遙領先。雖然國內在這一領域的發(fā)展也今非昔比，但如今我國在進行海洋探測時所需的水下照明光源大部分還依賴于進口。因此，水下光源的研究仍有很大的發(fā)展空間。激光和LED相比，首先激光的直徑要遠小于常規(guī)LED；其次激光的發(fā)光效率要遠高于LED，與此同時激光也不存在效率突然下降的問題，有利于節(jié)約電能和增加壽命；再者，激光的亮度衰減更低且能量密度更強；最后，LED需要很復雜的冷卻系統(tǒng)來解決它的發(fā)熱問題，而激光的冷卻系統(tǒng)相對簡單[25]。

通常，光束在水下傳播1 m的效果相當于在空氣介質中傳播800～1 000 m[26]。當光進入大海時，海水使光的能量衰減，衰減的主要原因是吸收和散射。在海水中，衰減系數隨光的波長而異，但海洋中存在一個類似于大氣中的透光窗口，即海水對波長在470～580 nm波段內的藍綠光的衰減要比其他光波段小得多，因此藍綠激光被廣泛應用于水下目標的探測及通信。許多國家對藍綠激光在水下通信、測深、探測、傳感等方面投入了大量的人力和物力，研制出了一些典型樣機，主要有連續(xù)激光行掃描成像系統(tǒng)和脈沖激光行掃描成像系統(tǒng)。前者使用連續(xù)綠光(532 nm)激光器和非選通光電倍增管，后者使用高重頻脈沖綠光激光器和定制的選通光電倍增管[27]。雖然藍綠激光很好地解決了水下探測和通信的問題，并成功在民用和軍事領域大放光彩，但由于單色激光的限制，藍綠激光并不能很好地用于水下目標識別及光譜分析等方面。

半導體激光白光光源繼承了激光器單色性穩(wěn)定的特點，顯色指數高，覆蓋顏色范圍達90%以上，能真實呈現客觀世界的顏色，但因白光激光光源的穩(wěn)定性、功率及相關技術的限制，目前將白光激光光源用于水下探測的研究甚少。為了大規(guī)模滿足半導體激光白光光源能應用于各行業(yè)的需求，輸出的白光需要具備更高更穩(wěn)定的功率、出色的光束質量、更好的光譜特性，同時能保證不同介質中白色激光輸出的性能穩(wěn)定性。目前待解決的問題有：從半導體激光器入手，研發(fā)半導體激光器的新材料結構和成熟的激光合束技術；芯片、熒光材料的發(fā)展和工藝方面的挑戰(zhàn)；優(yōu)化光學系統(tǒng)以實現更優(yōu)的半導體激光白光光源。隨著水下成像技術和半導體激光白光光源的不斷發(fā)展，半導體激光白光光源很有可能成為影響未來水下探測發(fā)展的新一代顛覆性技術。

6 結 論

通過對半導體激光白光光源的合成方案及應用難點的分析，對半導體激光白光光源技術應用于水下探測進行了展望，這為后續(xù)半導體激光白光光源發(fā)展方向提供了參考依據。隨著半導體激光白光光源發(fā)展的日趨成熟，克服發(fā)展瓶頸，使其更好的應用于海洋世界，將為我們探測海洋世界帶來極大的便利。如今國內技術還需時間沉淀，技術突破大有希望。我們相信，在不遠的將來，隨著半導體激光合成白光光源技術的成熟，它將如同激光技術一樣，走出實驗室，走進我們的生活。