手機的人臉識別、汽車的雷達測距、醫(yī)院的激光手術……這些場景都離不開一個核心角色——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”“最準的尺”“最亮的光”，支撐著通信、醫(yī)學、科研等多個領域的多重應用。

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，成了全世界科學家追尋的目標。記者日前在浙江大學的實驗室內(nèi)，看到一個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，就是世界上首個電驅(qū)動鈣鈦礦激光器。

實現(xiàn)這一突破的，是浙江大學國際聯(lián)合學院/光電科學與工程學院狄大衛(wèi)教授、鄒晨研究員和趙保丹教授團隊，他們的相關研究成果此前已發(fā)表于國際學術期刊《自然》。

這束中國激光，不僅為半導體激光器領域開創(chuàng)了新的方向，更有望讓激光技術走進更微型、更節(jié)能的應用場景，為下一代光電芯片、可穿戴設備等技術帶來全新可能。

研發(fā)人員將鈣鈦礦激光器樣品放在顯微鏡下觀察

攀登鈣鈦礦光電領域的“珠穆朗瑪峰”

激光的基本原理早在1916年就被物理學家愛因斯坦提出，但直到1960年，激光才首次在實驗室成功驗證。

簡單來說，激光器就像一個“光的放大器”，需要外部能量激發(fā)材料產(chǎn)生光子，再通過特定的光學結構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，其中半導體激光器是信息技術領域的重要光源，但其傳統(tǒng)制造工藝工序復雜且成本高昂。鈣鈦礦半導體、有機半導體和量子點等新型激光材料則展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。其中，鈣鈦礦半導體因可實現(xiàn)各種色彩的激光，且在光驅(qū)動條件下能實現(xiàn)極低的激光發(fā)射閾值，具有十分優(yōu)異的技術前景。然而，光驅(qū)動鈣鈦礦激光器依賴龐大且昂貴的外置光源（比如價值百萬元的飛秒激光器），限制了實際應用。

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

狄大衛(wèi)將這個重大挑戰(zhàn)分解為兩個問題，光子學問題與電子學問題。在光子學方面，需要尋找理想的鈣鈦礦增益介質(zhì)，同時構建低損耗、高精密的光學反饋結構；在電子學方面，需要實現(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達到這些條件極其困難。

“這是鈣鈦礦光電子學中普遍認為的、難以解決的最大挑戰(zhàn)，其難度來源于需要在多學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，實現(xiàn)電驅(qū)動鈣鈦礦激光器需要攻克光子學、電子學、材料科學、器件物理等學科交叉的多項難題。這項研究就像攀登鈣鈦礦光電子學領域的“珠穆朗瑪峰”。

狄大衛(wèi)在半導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，他完成了關于硅太陽能電池的本科學習和工程學博士研究，掌握了在半導體光電器件領域的學術基礎。為了將自己的研究視野從光伏領域拓展到發(fā)光領域，2012年，狄大衛(wèi)前往英國劍橋大學卡文迪許實驗室攻讀物理學博士。2014年，他所在的課題組成功研制出全球首個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應用。

真正的未來，在于電驅(qū)動鈣鈦礦激光器的實現(xiàn)——它更小、更集成、更有望實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用。懷揣這樣的決心，2018年，狄大衛(wèi)回國加入浙江大學，并迅速布局：搭建實驗平臺，組建團隊，先后引進趙保丹、鄒晨等多名青年人才，向領域難題發(fā)起挑戰(zhàn)。

2020年，狄大衛(wèi)團隊獲得浙江省的支持，開展半導體光電子學基礎與前沿研究，其中也涉及電驅(qū)動鈣鈦礦激光器的計劃。為了讓團隊能有更充足的實驗空間，海寧市政府、浙江大學國際聯(lián)合學院（海寧國際校區(qū)）給予了一系列支持?！皩W校和政府有足夠的耐心和信心，愿意支持高風險的前沿研究，這正是科研最需要的環(huán)境。”狄大衛(wèi)說。

狄大衛(wèi)（左）和鄒晨在實驗室討論鈣鈦礦激光器設計方案

闖過多個“領域之最”的難關

這并不是一場可以速戰(zhàn)速決的“戰(zhàn)役”。過去7年，狄大衛(wèi)帶領團隊開展的大多數(shù)研究，都在為電驅(qū)動鈣鈦礦激光器的研制奠定基礎。

“電驅(qū)動鈣鈦礦激光器的實現(xiàn)，背后是多項技術的突破?！钡掖笮l(wèi)給記者舉了四個“領域之最”——實測壽命最長的鈣鈦礦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@些技術積累，為我們實現(xiàn)全球首個電驅(qū)動鈣鈦礦激光器奠定了基礎?！钡掖笮l(wèi)說。

簡單來說，LED（發(fā)光二極管）和半導體激光器（如激光二極管）是“親戚”，它們都利用半導體材料發(fā)光?！扳}鈦礦LED技術就像電驅(qū)動鈣鈦礦激光器的‘地基’，需要先建設穩(wěn)定的地基，才能在上面建造大廈。”狄大衛(wèi)介紹。

第一個實現(xiàn)突破的是超長壽命的鈣鈦礦LED。2021年2月，狄大衛(wèi)團隊的碩士生郭兵兵，報告了一個特別的現(xiàn)象。彼時郭兵兵正在進行鈣鈦礦LED的穩(wěn)定性研究。當時學界普遍認為，這類器件“本性脆弱”，幾乎不可能達到如OLED般的長壽命。在反復實驗中，郭兵兵注意到一個特殊樣品：它的衰減速度，竟然比當時國際報道中最穩(wěn)定的同類器件還要緩慢。

這是一次偶然，還是一個新的突破方向？郭兵兵陷入困惑——測試方案是根據(jù)國際通用測試LED的標準來執(zhí)行，如果追蹤這個“異?！睒颖?，實驗測試方案就要重新調(diào)整，也意味著要花費更多的時間和成本，會不會得不償失？

他向狄大衛(wèi)報告了這一現(xiàn)象。狄大衛(wèi)鼓勵和開導他：“科學研究中，最珍貴的往往就是這些‘異?！５炞C它，需要比發(fā)現(xiàn)它多十倍、百倍的耐心，放心大膽去做?！辈⑻嶙h可以參照OLED領域的通用方法，對器件進行加速老化實驗，或許能看得更清楚。

于是，師徒倆這場持久觀察戰(zhàn)開始了。在設備工程師的協(xié)助下，郭兵兵搭建起新的測試系統(tǒng)，啟動了更為嚴苛的穩(wěn)定性考核。結果令人震驚，經(jīng)過雙極性分子穩(wěn)定劑處理的鈣鈦礦LED，在5mA/cm2的恒定電流下，連續(xù)運行3600小時，亮度曲線幾乎持平，未見衰減。

興奮之余，他們決定挑戰(zhàn)極限，建立了一套更嚴苛的測試協(xié)議：擴大電流測試范圍、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，均比當時最穩(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。

這也給團隊打了一針強心劑。接下來，如何讓器件的發(fā)光亮度進一步提高？狄大衛(wèi)團隊的博士生熊文濤聚焦鈣鈦礦半導體電學摻雜的難題，顯著提高了發(fā)光亮度。“我們研發(fā)的鈣鈦礦LED，其亮度達到116萬尼特，相當于正午太陽照在地面亮度的30倍?！毙芪臐f。這一突破，如同為鈣鈦礦發(fā)光器件鍛造了強勁的“心臟”，為實現(xiàn)電驅(qū)動激光清除了另一個障礙。

另一項突破來自狄大衛(wèi)團隊的博士生連亞霄，他開發(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。當傳統(tǒng)半導體LED的尺寸降低到微米級時，性能會急劇衰退，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。這項突破，展示了微納鈣鈦礦光源可以同時實現(xiàn)極其微小與高效。

狄大衛(wèi)團隊的核心成員、研究員鄒晨，在鈣鈦礦半導體光學微腔中，實現(xiàn)了室溫下穩(wěn)態(tài)的激子極化激元玻色-愛因斯坦凝聚，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微腔，在光泵浦下實現(xiàn)了目前最低閾值（0.4W/cm2）的連續(xù)波鈣鈦礦激光，相比當前性能最優(yōu)的傳統(tǒng)半導體激光器，其閾值僅為后者的1/30左右。

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

“鈣鈦礦半導體激光器的制備，或許可以類比為制造汽車，”狄大衛(wèi)說，“發(fā)動機、底盤等核心部件我們都攻克了，但最后的精密組裝同樣關鍵?！彼忉尩溃@個過程需要用各種微觀工藝構筑一個復雜的結構：先后采用真空鍍膜、溶液旋涂、晶體生長等技術，將數(shù)十層功能材料嚴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。

鄒晨主動承擔了這項挑戰(zhàn)。為了構筑電驅(qū)動鈣鈦礦激光器并搭建與之匹配的測試系統(tǒng)，鄒晨日夜不停地調(diào)試、組裝、優(yōu)化。在團隊成員的協(xié)助下反復探索可能的器件結構，搭建激光器測試系統(tǒng)。

2024年5月，他們終于在采用雙光學微腔設計的集成式鈣鈦礦器件中，觀測到期待已久的電驅(qū)動激光。為驗證結果的可靠性，團隊又投入更嚴格的復測與系統(tǒng)優(yōu)化。又經(jīng)過數(shù)個月對器件的優(yōu)化改進和實驗重復性驗證后，世界首個電驅(qū)動鈣鈦礦激光器，在浙大、在中國誕生了！

把今天的“首創(chuàng)”變成明天的“日?！?/p>

事實上，狄大衛(wèi)團隊研制的電驅(qū)動鈣鈦礦激光器僅需92A/cm2的電流密度即可啟動，這個數(shù)值僅為目前性能最優(yōu)的有機半導體激光器所需電流的1/10。

“通俗來說，就像一臺新引擎，用更小的‘油門’就能平穩(wěn)點火，意味著效率更高、能耗與發(fā)熱更小?！钡掖笮l(wèi)介紹，該器件的一個關鍵創(chuàng)新在于其雙光學微腔結構，即把兩個光學腔單元精巧耦合，使內(nèi)部光耦合效率提升至82.7%，大幅增強了光放大能力。

但這并不意味著研究的終點，而是新的起點。

“電驅(qū)動鈣鈦礦激光器領域仍處于‘嬰兒期’，我們的下一次攀登，是解決它‘長大成人’道路上的兩個關鍵問題——更簡潔的器件結構和更長久的穩(wěn)定性，從而推動它真正走出實驗室，走向規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)應用?！钡掖笮l(wèi)說。

攀登珠峰，不滿足于登頂一次。狄大衛(wèi)透露，團隊正為實現(xiàn)結構更精簡的單腔激光二極管不斷努力。與已實現(xiàn)的集成式雙腔激光器相比，單腔設計更有望實現(xiàn)大規(guī)模應用。這是邁向高效率、低能耗、微型化激光器的關鍵一步，讓它從實驗室走向?qū)嶋H應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)，研究重心也會從“從無到有”的原理與概念突破，轉(zhuǎn)向攻克“從有到優(yōu)”的難題?！霸谖磥?，我們不僅要讓鈣鈦礦激光器在實驗室的理想環(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應用的嚴苛考驗下，依然保持性能可靠、壽命持久?！钡掖笮l(wèi)說。

這項技術成熟后，將如何重塑我們的生活？

想象一下，在可穿戴設備領域，微型激光器能被集成進智能手表的表盤之下。它發(fā)射的特定波長可無創(chuàng)穿透皮膚，實時、精準地監(jiān)測血糖、血氧甚至乳酸代謝水平，讓你手腕上的設備從一個運動記錄儀，升級為個人的“健康預警中心”。

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

這項突破，標志著我國在下一代光電技術競爭中，正從長期的“跟隨者”，轉(zhuǎn)向關鍵的“定義者”。其戰(zhàn)略意義，遠不止于一項國際首創(chuàng)，而在于它可能重構部分產(chǎn)業(yè)的核心技術路線。

從“跟跑”到“并跑”，再到如今在若干領域前沿“提前搶占身位”，這一轉(zhuǎn)變的背后，是國家對基礎研究與前沿技術長期穩(wěn)定的支持，以及一線科研工作者敢于瞄準各自領域的“珠穆朗瑪峰”發(fā)起攻堅的戰(zhàn)略定力。這項成果，不僅是一篇頂級論文，更是一個清晰的信號：中國光電研究，已具備在世界創(chuàng)新版圖上開辟新大陸的勇氣與能力。它就像一顆至關重要的“種子”，未來可能生長出一片更具原創(chuàng)性、自主性與競爭力的中國光電信息技術產(chǎn)業(yè)“森林”。

一束光的誕生

本報記者 褚晶君 整理

激光并不是自然界發(fā)出的光，而是通過“受激輻射”放大的光。激光的理論基礎是愛因斯坦在1916年提出的“受激輻射”理論，即原子在受到外部能量激發(fā)時可以發(fā)出光，并且這種光是相干的。但在這以后相當長的一段時間內(nèi)，有關受激輻射的研究并未引起人們的足夠重視。

1958年，美國物理學家查爾斯·湯斯和阿瑟·肖洛在《物理評論》上共同發(fā)表論文《紅外和光量子放大器》，提出第一個實際激光器的概念，預言了激光的可行性。

突破在1960年5月16日。美國休斯研究實驗室的西奧多·梅曼將一個手指大小的紅寶石晶體精心包裹在螺旋形閃光燈中，當閃光燈瞬間點亮，世界第一束激光——波長為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。梅曼在實驗筆記中簡單記錄：“紅寶石激光器成功運行”，科學史上一個全新領域就此開啟。

1961年9月，我國光學科學家、中國科學院院士王之江、鄧錫銘等研制成中國首臺紅寶石激光器，開啟了中國的激光史。

此后，更多類型的激光器相繼問世：氦氖激光器、半導體激光器、化學激光器……激光技術迅速發(fā)展，從實驗室走向廣闊應用天地。

從超市掃碼器到眼科手術臺，從光纖通信到核聚變研究，激光已經(jīng)成為現(xiàn)代社會不可或缺的工具，被廣泛應用于諸多領域，激光被認為是20世紀以來繼原子能、計算機和半導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，《浙江日報》前沿周刊刊發(fā)《浙江大學團隊成功研制世界首個電驅(qū)動鈣鈦礦激光器 中國激光：最快的刀 最準的尺 最亮的光》。