半导体激光白光光源研究进展

江子琦， 刘晓梅， 柳 华， 彭 鹏

(海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228)

1 引 言

1960年，第一台激光器问世。伴随着激光技术的创新和发展，激光器在我们的日常生活及科技发展等领域扮演着越来越重要的角色。从气体激光器到半导体激光器再到光纤激光器和飞秒脉冲激光器，激光的光束质量、脉冲宽度、输出功率、时空相干性等性能得到了极大的提升。激光白光光源作为新兴的激光光源，是通过激光来产生高亮度白光的一种照明光源技术[1-2]，具有频率覆盖范围广、亮度高、功率峰值高、方向性强、工作寿命长、空间相干性和时间相干性强等优点，在科研国防、照明显示、通讯信息、医学检测、工业生产等领域都发挥了其实际作用。与单色激光相比，激光白光光源因能覆盖可见光谱所有波长，克服了激光单色性给激光发展应用带来的限制，成功将激光技术应用于激光照明和激光显示领域并展现了巨大的发展潜力。与此同时，因光子可携带更多的信息和能量，使得激光白光光源在光通信及高功率切割中也具有广阔的应用前景。

20世纪60年代以来，半导体物理学的发展推动了半导体激光器的快速发展。半导体激光器因具有体积质量小、使用寿命长、结构简单、易于实现光电子集成和电光转换效率高等优点，成为世界上发展最快并成功实现商业化的一类激光器。随着半导体激光器发展的深入和市场需求的变化，利用半导体激光合成白光光源成为研究热点。目前，半导体激光白光光源的合成方案主要有两种：一种为红绿蓝3基色激光合成；另一种则是单色激光激发荧光材料转换。前者虽容易获得电光转换效率高且显色性好的白光光源，但存在白光输出功率低，成本高的问题；后者是基于混色原理所得，虽无散斑现象且成本低、工艺简单，但荧光材料存在的斯托克斯损耗使电光转换效率降低，输出白光的某些激光特性被削弱，如准直性、能量密度等。如何产生稳定高输出功率及色温接近于标准白光的半导体激光白光光源是需要重点解决的问题。分析和掌握各种激光白光光源的原理、性能和特点，有利于促进激光技术的应用，使其在更多的领域发挥更好的作用，创造更高的价值。

2 国内外发展现状

2.1 国外研究现状

2005年，日本Nichia公司在FPD研讨会上公布了利用半导体激光器获得白光输出的消息。他们分别使用了波长为445 nm的GaN基半导体激光器和波长为405 nm的蓝紫光半导体激光器。GaN半导体激光激发黄色荧光粉后的白光显色指数Ra为72，短波的蓝紫光半导体激光激发多种荧光材料后白光显色指数Ra提高至86[3]。两年后该公司用500 mW半导体激光器激发荧光粉获得了光通量为96 lm的白光光源[4]。

2008年，日本科学家S.Saito在注射电流为1 A的情况下，利用405 nm的GaN基半导体激光器激发荧光粉得到了光通量200 lm和光效为42 lm/W的白光光源，其电光转换效率达到了40%[5]。

2010年，韩国Inha大学的Ryu等采用了Nichia公司相同的方法，他们将445 nm的半导体激光耦合进400 μm的塑料光纤中，让激光激发涂在光纤另一头的YAG黄色荧光粉。当注入电流达0.1 A时，得到了光通量5 lm和光效为10 lm/W的白光光源。作者认为造成光效低的主要原因是实验中激光器的效率仅为8.5%，其次在蓝光激发荧光粉时的斯托克斯损耗达20%[6]。

2011年，美国桑迪亚国家实验室利用4台独立的大型激光器实现了高质量的白光激光输出，但由于体积太大限制了其在照明或显示等领域的应用[7]。

2013年，Kristin[8]等通过402 nm的近紫外半导体激光器激发红、绿、蓝3原色荧光粉和442 nm的蓝光半导体激光器激发YAG∶Ce黄色荧光粉，得到了不同CIE指标的白光光源。相比之下，蓝光激发黄色荧光粉得到的白光发光效率更高，但是显色性较差。

2015年，日本Shingo等人通过氮化物-蓝色半导体激光器和黄色荧光材料的组合得到了光通量为250 lm的白光[9]。

2016年，C．Foucher等人将红、绿、蓝3种DFB激光器采用两种放置方式(相邻和垂直)放置在超薄柔性玻璃基板上得到了42 μJ/cm2的白光激光输出[10]。

2017年，Changmin Lee等人采用近紫外激光器激发红绿蓝3色荧光粉实现了大于1 Gbit/s的数据速率，产生了显色指数79、色温4 050 K的白光[11]。与使用蓝色激光器和YAG∶Ce荧光粉相比，该系统能同时满足高质量照明和高速低噪声通信的要求。

2.2 国内研究现状

2008年，Xu等[12-13]利用405 nm近紫外半导体激光分别激发红、绿、蓝3基色荧光粉和黄色与红色混合的荧光粉的方式获取白光。实验结果显示，当注入电流都为0.8 A时，采用405 nm近紫外半导体激光激发黄色与红色的混合荧光粉得到的白光质量更佳，此时白光的光通量为5.7 lm，光效为13 lm/W，色温5 200 K，显示指数达70。

2014年，电子科技大学罗智田等[14]使用450 nm半导体蓝色激光激发YAG黄色荧光粉实现白光输出，并研究了掺YAG荧光粉的氮化物红色荧光粉。结论是随着氮化物红色荧光粉的含量增多，输出白光源的显色指数也随之增多至出现峰值，显色指数最高可达69.3。

2017年，Yi Yang等人[15]设计了一款小尺寸的半导体激光驱动荧光粉板获取白光的装置，无需远程荧光粉配置。当驱动电流为3 A时，得到了光通量850 lm，色温6 990 K，最大光效70 lm/W的白光。但是由于此装置的尺寸过小，限制了其应用场景。

2018年，Yang等[16]使用638 nm的红光、520 nm的绿光和450 nm的蓝光合成了高均匀的白光，设计了一种微透镜阵列光束均匀化系统以实现白光的均匀化处理，最终得到了显色指数64.8，色温5 171 K，光照强度×104lx的白光，并且证明了基于RGB3基色激光器合成白光的光学系统可实现高数据速率可见光通信和高质量照明的潜力。同年，颜博霞[17]等人使用红绿蓝三基色激光器合成白光，通过颜色配比、光纤合束，得到了色温略低于理论值约15%的白光激光输出。其中红光和蓝光都采用半导体激光器，而绿光采用固体倍频绿光激光器。由于固体倍频绿光激光器本身的特性相干性太强，很容易产生散斑并影响照明或视觉效果。

2019年，田景玉等[18]使用高功率三色半导体激光器直接用作白光合成光源。 产生的6 480 K色温大约等于6 500 K的标准白光色温，输出达到58.4 W。另外，这种结构允许通过电流直接调节三基色激光器的功率比。该研究直接使用半导体激光束耦合技术用于开发白光照明源要比采用倍频蓝光、绿光光源更具优势。

3 半导体激光获取白光光源的方案

3.1 单色激光利用荧光材料转换

3.1.1 蓝色激光激发黄色荧光功能材料转换

该方案的原理如图1所示，即蓝色激光器所发射出的部分蓝色激光投射于黄色荧光粉上并被黄色荧光粉吸收后发射出黄色光，再与未被荧光粉吸收的蓝光混合形成白光。为了提高色彩还原度及减少色彩校正过程中的亮度损失，也可将红色激光器与蓝色激光器配合使用。

图1 蓝色激光激发黄色荧光粉转换成白光原理图Fig.1 Schematic diagram of blue laser exciting the yellow phosphor to convert into white light

3.1.2 近紫外激光激发三原色荧光功能材料转换

该方案是由蓝色、黄色荧光粉和近紫外激光来完成的，原理如图2所示。近紫外激光被蓝色荧光粉吸收后发射出蓝光，之后黄色荧光粉将部分蓝光吸收发射出黄光，得到的蓝光和黄光混合最终完成白光的获取。这种方法色彩还原度高，但是使用多种荧光粉会造成光源不稳定[19]，在转换过程中斯托克斯损耗的能量也更多。

图2 近紫外激光激发三原色荧光材料原理图Fig.2 Schematic diagram of near-ultraviolet laser excitation of three primary color fluorescent materials

这两种方案都是基于混色原理所得，借鉴了白光LED[20-21]的出光原理，但是与LED不同的是，利用激光获取白光光源所需的荧光材料性能要求会更高，以承受激光的冲击。荧光材料的选择直接决定了输出白光光源的质量(亮度、色温、稳定性等)。近年来一些导热性突出的荧光材料迅速发展，如单晶、陶瓷等。目前，低功率白光激光照明大多采用荧光粉加树脂硅胶的封装方式，而中高功率的白光激光照明则是优先选择导热性好及生产工艺简易的陶瓷材料[22]。

利用半导体激光激发荧光材料的光学系统主要由光束整形模块和荧光体转换模块组成。

(a)光束整形模块。此模块是为了对激光进行光纤耦合及准直扩束的操作。光纤耦合能使激光的光纤质量大幅提升，而准直扩束能起到扩大激光激发面积的作用。

(b)荧光体转换模块。利用激光激发荧光粉会发生复杂的光学反应，Tracepro光学仿真软件可以帮助我们分析荧光粉的参数变化对最终输出白光质量的影响，从而确定输出最佳白光质量的荧光粉参数值。

3.2 红、绿、蓝三基色激光合成

根据三原色原理可知，只需调整红绿蓝三基色的比例，就可以得到自然界中的大多数颜色。因此若能调整好红绿蓝三基色的比例，利用三基色激光合成白光激光是可行的。该方案的实现过程是使用独立的红、绿、蓝三基色激光器，对发出的3种颜色激光进行颜色功率配比，输出的3种颜色的激光经过空间合束、波长合束后耦合进光纤，最终输出白光。此过程颜色的功率配比决定了最后输出白光的色彩与色温等效果。

3.2.1 合束结构

基于红、绿、蓝三基色激光合成白光的过程如图3所示，3个激光单元各自经过准直后，通过反射镜实现空间合束，再经过两次波长合束实现白光激光的输出。

图3 红、绿、蓝三基色激光光纤耦合过程Fig.3 Red, green and blue laser fiber coupling process

3.2.2 功率配比

根据三原色原理可知，在确定目标颜色后，即可计算出3种原色的比例，比例的多少通常由颜色的三刺激值来表征。由色度学原理，当将具有已知亮度值和色度坐标的两种或更多种颜色相加并混合时，混合色的亮度和色度坐标可以根据CIE 1931标准色度系统获得。

假定某颜色的三刺激值为X、Y、Z，色品坐标为(x，y)，亮度为u，则三者满足

(1)

其中三刺激值与色品坐标之间的关系为：

(2)

在将三基色RGB激光合成白光时，三基色RGB激光器的波长和亮度已知，设红、绿、蓝三色色品坐标分别为(xR，yR)，(xG，yG)，(xB，yB)，对应其三刺激值为(XR，YR，ZR)，(XG，YG，ZG)，(XB，YB，ZB)。此时，白光的三刺激值(X0，Y0，Z0)与红、绿、蓝三基色的三刺激值关系为:

(3)

由式(2)可类比得到白光的色品坐标为：

(4)

假定红、绿、蓝三色的亮度比为LR∶LG∶LB，由式(1)、(3)、(4)可得：

(5)

亮度L与功率P之间的关系为:

L=Km·V(λ)·P

(6)

其中：Km为光谱光视效能，其值为683 lm/W，V(λ)为视见函数。则对于选定的三原色光，其功率之比为：

(7)

通过以上过程可求得三原色合成白光时的功率配比。

这两种利用半导体激光获取的白光光源都不属于真正意义上的白激光。真正意义的白光激光应具备传统激光除单色性以外的所有激光特性，并且其光谱应和太阳光谱一致。基于多色或单色激光获得的白光光源并没有做到“激光进，激光出”，丧失了很多激光的优良特性，因此不能作为一个独立的、真正意义上的白激光。

4 半导体激光白光光源技术应用

4.1 激光照明技术

早在2011年，美国桑迪亚国家实验室通过将4个单色激光合束形成的白光用于照明，测试者无法区分激光形成的白光与LED光源及白炽灯光源的区别，这就说明通过多基色或单频激光形成的白光光源呈现出的色彩质量并不会比传统光源差。因此，它消除了人们长期以来的误解，即窄带激光不适用于照明显示。白光激光照明目前主要应用于特种照明、车辆照明、军事工具照明、医疗照明等。自2014年以来，宝马、奥迪和路虎等车企陆续推出了配备有激光大灯的高端车型[23]，使用激光头灯相比LED来说改善了远光照明，照明距离翻倍至600 m，一定程度地增强了夜间驾驶员的行车安全性，优化了高速驾驶视觉体验。同时，基于数字微反射镜(DMD)装置的新一代数字化汽车照明技术也迫切需要具有高亮度和高流明输出的白光光源[24]。2019年，纳丽德公司推出一款白激光手电，实现了白色激光手持照明，且远射距离达1 100 m。目前，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。相信随着半导体激光白光光源技术的发展，白光激光照明将会在产业领域加速实现。

4.2 激光显示技术

激光显示技术是继黑白显示、标准彩色显示、数字显示之后的新一代显示技术，具有色域广、寿命长、环保、节能等优点。鉴于激光的高单色性，它可以产生色坐标接近色空间边界的分量色光。因此，激光可以实现比传统显示器(如阴极射线管(CRT)、LED背光液晶显示器(LCD)或基于宽带非相干光源的有机发光二极管(OLED))更宽的色域(超过人眼可感知的所有颜色的90%)，使显示效果及清晰度等都达到极致。此外，由于激光器本身具有高亮度的特征，因此容易实现高对比度，正是这些优点推动了近年来激光显示技术的进步。限于当前绿色和红色半导体激光器的功率和成本等因素，市场上现有的激光显示产品大多数都是通过激光光源和LED光源的混合显示产品或激光激发荧光材料来实现的。未来，激光显示器的主要研究和发展方向是将激光用作新型投影光源，向着大屏幕方向的发展以及通过三基色激光束在屏幕上快速扫描进行直接成像，这就要求系统的输出功率、色温稳定性达到一定高度。

4.3 可见光无线通信技术

激光不仅是能量的载体，也是信息的载体。作为信息的载体，激光可应用于自由空间的通讯，如太空和海洋内部。由于白色激光具有较宽的通信频带，因此与普通的单色激光器相比，它能携带更多的信息并且特别适合于海洋中潜艇之间的自由空间激光通信。

可见光无线通信(Light Fidelity，LiFi)是使用可见光波谱调制进行数据传输的无线传输技术。由于可见光遍布我们周围，与此同时，LED的调制速度比现有的基于微波的WIFI的调制速度快得多，因此若要通过LIFI技术高速访问互联网，我们需要做的就是升级现有的照明设备。与LED相比，激光具有更高的调制速率(通常是LED的10～100倍)，因此更加适合应用于可见光无线通信中。白光激光器具有更多潜在的应用，因为它们可以与多基色激光器结合使用，因此可以与每种原色进行调制和复用以获得更多的通信带宽。随着白光激光照明和显示技术的发展和普及，基于激光白光光源的LIFI技术有望得到更广泛的推广。

5 半导体激光白光光源技术应用于水下探测的展望

海洋——生命的摇篮，约占地球表面积的71%。在20世纪中时人类开始探索和利用海洋世界，但目前为止，还有95%的海底世界是未知的。随着人类对海洋的进一步观测和开发，水下光源的研究不可或缺，目前，水下常用的光源有LED、卤钨灯、激光等。在水下照明领域，国外研究仍遥遥领先。虽然国内在这一领域的发展也今非昔比，但如今我国在进行海洋探测时所需的水下照明光源大部分还依赖于进口。因此，水下光源的研究仍有很大的发展空间。激光和LED相比，首先激光的直径要远小于常规LED；其次激光的发光效率要远高于LED，与此同时激光也不存在效率突然下降的问题，有利于节约电能和增加寿命；再者，激光的亮度衰减更低且能量密度更强；最后，LED需要很复杂的冷却系统来解决它的发热问题，而激光的冷却系统相对简单[25]。

通常，光束在水下传播1 m的效果相当于在空气介质中传播800～1 000 m[26]。当光进入大海时，海水使光的能量衰减，衰减的主要原因是吸收和散射。在海水中，衰减系数随光的波长而异，但海洋中存在一个类似于大气中的透光窗口，即海水对波长在470～580 nm波段内的蓝绿光的衰减要比其他光波段小得多，因此蓝绿激光被广泛应用于水下目标的探测及通信。许多国家对蓝绿激光在水下通信、测深、探测、传感等方面投入了大量的人力和物力，研制出了一些典型样机，主要有连续激光行扫描成像系统和脉冲激光行扫描成像系统。前者使用连续绿光(532 nm)激光器和非选通光电倍增管，后者使用高重频脉冲绿光激光器和定制的选通光电倍增管[27]。虽然蓝绿激光很好地解决了水下探测和通信的问题，并成功在民用和军事领域大放光彩，但由于单色激光的限制，蓝绿激光并不能很好地用于水下目标识别及光谱分析等方面。

半导体激光白光光源继承了激光器单色性稳定的特点，显色指数高，覆盖颜色范围达90%以上，能真实呈现客观世界的颜色，但因白光激光光源的稳定性、功率及相关技术的限制，目前将白光激光光源用于水下探测的研究甚少。为了大规模满足半导体激光白光光源能应用于各行业的需求，输出的白光需要具备更高更稳定的功率、出色的光束质量、更好的光谱特性，同时能保证不同介质中白色激光输出的性能稳定性。目前待解决的问题有：从半导体激光器入手，研发半导体激光器的新材料结构和成熟的激光合束技术；芯片、荧光材料的发展和工艺方面的挑战；优化光学系统以实现更优的半导体激光白光光源。随着水下成像技术和半导体激光白光光源的不断发展，半导体激光白光光源很有可能成为影响未来水下探测发展的新一代颠覆性技术。

6 结 论

通过对半导体激光白光光源的合成方案及应用难点的分析，对半导体激光白光光源技术应用于水下探测进行了展望，这为后续半导体激光白光光源发展方向提供了参考依据。随着半导体激光白光光源发展的日趋成熟，克服发展瓶颈，使其更好的应用于海洋世界，将为我们探测海洋世界带来极大的便利。如今国内技术还需时间沉淀，技术突破大有希望。我们相信，在不远的将来，随着半导体激光合成白光光源技术的成熟，它将如同激光技术一样，走出实验室，走进我们的生活。