相比于LED，白色激光器具有更高的发光和能量效率，在未来的照明及以光为基础的无线通信领域有着更大的应用前景。

激光器发明于1960年，并应用于在许多方面，有一个特征已被证明是无法实现的。没有人能够创建出发射白色光束的激光器。

亚利桑那州立大学（Arizona State University）研究人员解决了这一难题。他们证明了半导体激光器可以发射整个可见光波段内的任何光，这对于产生白色激光器来说是必不可少的。

研究人员制得了一个三段平行式新型纳米片——尺寸仅为人类头发丝厚度1/5的薄层半导体，且其厚度约为人类头发丝厚度的1000倍左右——每一段可发射三原色中的一种颜色。该器件可发射任何可见光颜色，从红色、绿色到蓝色、甚至其中的任意颜色完全可调。当将所有颜色收集到一起，就成了白色。

研究人员（亚利桑那州立大学Ira A. Fulton工程学院的工程师）将该发现在线发表于7月27日的《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上。该论文题为“单片白色激光器”，作者包括电气、计算机及能源工程学院Cun-ZhengNing教授，还有其博士生Fan Fan、SunayTurkdogan、Zhicheng Liu和David Shelhammer。其中，Turkdogan和Liu在该研究之后完成了博士学位。

技术的进步使得激光更接近于成为主流光源，并有望取代发光二极管（LED）。激光的亮度更高、更节能，作为电脑屏幕和电视机的显示器，激光能够提供更准确更生动的颜色。Ning的团队表明他们的结构相比于目前显示行业标准而言，可覆盖的颜色范围多出70%。

未来另一个重要的应用是可见光通信，即在一个房间内照明系统可同时用于照明和通信。这项正在开发的光基无线通信技术称作Li-Fi，不同于采用无线电波的Wi-Fi。相比于目前的基于LED的Wi-Fi，Li-Fi的速度高出10倍以上，而白色激光Li-Fi的速度可能高出10-100倍。

“白色激光器的概念似乎有悖常理，因为一个典型激光器只含有一个颜色的光，即特定波长的电磁波谱，而不是不同波长的宽谱。白光通常被视为是所有可见光波长的完整混合。”Ning如是说，他本人在该项研究的多年间同时兼职于清华大学（中国）。

典型LED照明中，涂有荧光粉的蓝光LED将部分蓝光转化成绿色、黄色及红色的光。这种混色光被我们视作是白光，从而用于一般照明。

2011年，Sandia国家实验室通过四个独立的大型激光器产生高质量的白光。研究人员发现人的眼睛对由激光器发出的白光的适应性与LED产生的白光一样，这项结果鼓舞了其他人推进该技术的发展。

“这一开创性的概念-证明令人印象深刻，但那些独立的激光器不能用于室内照明及显示器。”Ning说，“理想的状态是一个微型半导体材料能够发射所有颜色或者说是白色的激光。”

半导体，通常是固态化学元素或化合物排列而成的晶体，广泛应用于电脑芯片或电信系统中的光发生器。它们具有特殊的光学性质，并应用于制造激光器和LEDs，因为对其施加电压能使它们发出特定颜色的光。最常提及的发光半导体材料是氮化铟镓，即使是硫化镉、硒化镉等其他材料也用于发射可见光。

研究人员指出，主要的挑战在于发光半导体材料的生长，以及如何发射不同颜色的光。通常一个特定的半导体发射一种单色光——蓝色、绿色或红色——这是由特殊的原子结构和带隙所决定的。

“晶格常数”表示原子间的距离。为了产生可见光范围内所有可能的波长，需要具有非常不同晶格常数及带隙的多个半导体。

“我们的目标是实现单个半导体片能够产生三原色。这种片英国足够小，这样人们只能察觉到一个完整的混色，而不是三种不同颜色。”Fan说，“但这并不容易。”

“主要的障碍是晶格匹配问题，也就是说所需的各种材料的晶格常数相差太大。” Liu说，“如果晶格常数相差太大，采用传统技术是无法将不同半导体晶体高质量的生长在一起的。”

根据Ning的说法，最理想的解决方案可能是单个半导体结构发射所有需要的颜色。他和他的研究生转向实现这一里程碑的纳米技术。

关键是，相比于传统生长技术的块材材料，纳米尺度更大的失配可以更好的接受。即使是不同晶格常数具有大的失配，也可生长高质量的晶体。

早在十多年前，Ning的团队认识到了这种独特的可能性，开始追求纳米材料（如纳米线、纳米片）的独特性能。他和他的学生抑制致力于研究各种各样的纳米材料，看它们能将纳米材料的优势推到多远，探索异种材料的高晶体质量生长。

6年前，在美国空军研究办公室的资助下，他们证明了一种能带可在很宽范围内调整的纳米线材料，从而实现单一器件（长达1cm）激光从红色到绿色。后来他们意识到，单一半导体纳米片或纳米线可同时发射不同激光。这些结果触发了Ning的思想，进一步看单一的白色激光是否有可能。

产生白光必须的蓝色，被证明是一个更大的挑战，其宽带隙及非常不同的材料特性。

“我们在生长蓝色发光纳米片材料上已经奋斗了将近两年时间，这是最终白色激光器必不可少的。”Turkdogan这样说，他目前是土耳其University of Yalova助理教授。

经过详尽的研究，该研究小组最终提出一个策略，首先制得所需的形状，再将材料转换成发射蓝光的合适合金成分。Turkdogan说，“据我们所知，这种生长策略第一次演示了一个有趣的生长过程，称为双离子交换过程，从而获得所需的结构。”

这一种解耦结构形状并复合的策略代表了策略和重大突破的重大变革，最终实现了单一的结构片，其中含有三段不同的半导体，可发射所有所需的颜色，使得白色激光器成为可能。Turkdogan说，“通常这是不可能的，因为材料的生长都是形状和成分同时实现的。”

虽然这一概念的证明很重要，但这种白光激光器在现实照明及显示方面的应用仍然存在重要的障碍。下阶段关键的一点是在电池驱动下获得类似的白光激光器。目前的演示中，研究人员不得不采用激光注入电子来发光。这个实验的努力证明了首要材料的需求，奠定了最终白光激光器的基础。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜   校正：摩天轮