中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室简介

发光学及应用国家重点实验室的前身是中国科学院激发态物理重点实验室，始建于1989年。2011年10月根据科技部517号文件开始建设国家重点实验室，并于2012年2月通过信息领域国家重点实验室评估，2012年12月通过国家重点实验室验收。发光学及应用国家重点实验室是国内最早、最全面的专门从事发光学及其应用研究的重点实验室。实验室现有固定人员94人，其中研究员26人，副研究员32人，包括中科院院士1人，德国科学院、美国国家工程院、俄罗斯科学院三院院士1人,973首席1人，国家杰出青年基金获得者3人，万人计划“科技创新领军人才”2人，优秀青年基金获得者2人。本实验室的总体研究成果丰富，获得多个重要奖项，包括国家自然科学二等奖 1 项，省部级奖项6项。同时，本实验室在Chemical Review, Advanced Materials, Light: Science & Applications, Physics Review Letters等学术期刊上发表SCI 论文 446 篇，EI论文103篇，第一单位发表五年平均影响因子大于3的250篇，大于5 的论文 129 篇，大于10的15篇；第一单位发表的SCI论文被他引万余次，有20篇论文被美国科技信息所(ISI) 的基本科学指标数据库（ESI）列为高引用论文(Most Cited Papers)。 w7+1zc42fM6!6W

发光学是凝聚态物理学的重要分支。1987年第8届国际发光学术会议上，将发光学研究领域的核心内涵拓展为研究凝聚态物质中与激发态相关的全部物理过程（Luminescence－Excited State Processes）。发光学已成为认识与揭示凝聚态物质中的激发与能量转换过程客观规律的基础理论和基本方法。伴随着科学技术的高速发展，发光学与应用的结合变得越发紧密，并正在由基础物理科学向着与材料科学、信息科学、化学科学、生命科学、能源科学等多学科交叉的方向发展。发光学已成为研究、探索与发展高效发光、激光、光电显示、光电转换等新型光电功能新材料、新器件与新技术的理论基础与研究手段。并在光源新技术和信息显示新技术等产业领域起着引领和先导作用。 T6+,Rw1~9if7!2W

发光学及应用国家重点实验室面向国家重大战略需求、国家安全和发光学发展前沿，致力于运用发光学的基本理论和研究方法，与新材料、新器件、新技术等高技术研究紧密结合，解决国家在发展高效节能发光光源新材料、新器件，高效激光光源新材料、新器件，新一代信息显示新材料、新器件，高效光电探测与光电转换新材料、新器件等领域中存在的重大科学问题与核心技术问题，使我国在相关领域研究达到国际先进水平。实验室长期坚持协调布局基础研究和高技术研究，并为促进国家发光学及应用领域的科学发展、技术进步发挥了重要作用。实验室在大功率半导体激光器及其应用、宽禁带半导体的发光与激光、稀土发光物理等研究领域都取得了一系列突破性研究进展。所取得的研究成果在国际上受到同行专家的广泛关注，在国内引领了相关学科的快速发展。 k,;2jM8.6ef6,t

发光学及应用国家重点实验室以揭示凝聚态物质中激发过程、能量转移与转换过程、辐射与非辐射复合过程等基本物理规律为基础，以先进的材料与器件制备技术和高分辨光谱技术为主要研究手段，以发展发光与光电功能新材料、新器件、新应用为主要研究方向，紧密围绕发光学及其应用领域的发展趋势和国家战略需求，在前沿领域的基础研究、重大应用基础研究和高技术研究三个层面开展深入系统的创新性研究工作。实验室研究目标是揭示新型发光材料与器件、光电子材料与器件及信息显示领域中的自然规律，并为突破相关领域重大关键技术问题提供理论指导及实现途径，并将实验室建设成为出成果、出人才的国际一流发光学研究基地。 y8=4vD6-3RA4;1W

科研方向

[ 半导体发光与探测 ] K,4uA6=8Oq58Y

以发展新型、高效、环境友好的半导体发光与探测材料和器件为目标，开展宽禁带Ⅱ-Ⅵ族ZnO基、GaN基半导体的发光、激光与光电探测材料、器件以及光电激发过程与能量转换过程研究，突破制约其发展的核心问题；开展InGaAs短波红外波段光电探测器材料、器件及物理过程研究；开展高端CMOS传感器研究。 y4;7tP8.7RC15h

1.宽禁带II族氧化物紫外发光与激光 01=2li3~4cN,4w

半导体材料研究的突破整体上推动了近现代社会科技的进步。而带宽度大于2.2eV的第三代半导体具有更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力等优越特性，代表着半导体科技的未来。在光电子领域，GaN基蓝光高效发光二极管技术的突破使白光二极管技术走向成熟，由此开辟了人类照明的高效节能新时代。目前，由于高效短波光源在高精度激光加工、生物、医疗、环保等国民经济各领域的重要应用前景，开发短波深紫外发光及激光二极管成为第三代半导体光电材料发展的前沿课题。 B,;2KO4:9Jy54o

对于深紫外波段发光和激光二极管的开发，GaN和ZnO均具有较宽禁带宽度（~ 3.4 eV），即对应着365 nm附近的近紫外发光，因而是很好的候选材料。在分别掺入Al和Mg后，这两种半导体材料（AlxGa1-x N和MgxZn1-xO）的带隙可进一步加宽到接近AlN 的6.2 eV和MgO的7.8 eV。但是，两种材料一直存在着P型掺杂难题，即缺乏高效P型材料导致高效PN结发光二级管难以制备。 Q52V024hP3+7h

GaN和ZnO基半导体P型掺杂难题的根源在于其特殊的电子能带结构，即较低的价带顶和导带底。这导致材料掺杂后，电子的施主能级一般较浅，容易激活形成N型载流子；空穴的受主能级多数较深，很难激活形成有效的P型载流子。并且，由于N型施主活跃，很容易补偿破坏掉材料中形成的P型受主。早在60年代，科研人员在GaN高效PN结研究中，即遇到了其P型难于掺杂的挑战，以至于当时世界各地放弃了它的发光二极管研究。但是，日本的赤崎勇等人知难而进，经过二十余年，找到了解决其P型掺杂难题的方法，实现了高效蓝光LED，并因此获得了2014年的诺贝尔物理学奖。但是，高铝组分AlxGa1-xN和ZnO的价带底比GaN更低，曾经适用于GaN的简单替代掺杂模式已经失效，能否解决它们的P型掺杂难题已经成为高效深紫外波段发光和激光二极管能否实现的关键。 x7-,pY5;7KM8!8P

对这一世界性的P型掺杂难题，实验室团队取得突破性进展，提出了能够抑制施主补偿作用的复合掺杂新策略，为彻底解决宽禁带半导体的P型掺杂难题指明了方向。该团队研究发现表面极性对材料的掺杂生长有重要影响，由此提出了能够抑制施主补偿作用的P型掺杂新策略，即：通过极性表面的约束生长降低受主形成能，保持施主亚稳态来抑制施主补偿作用，之后经触发越过势垒激活为受主稳定态。该团队，以N掺杂ZnO为例，澄清了其P型电导来源，并实现了ZnO的高效电泵同质PN结发光。 B3+1cm3;6Oo1+9U

基于在宽禁带半导体P型掺杂研究方向取得的突出学术成果，该团队获得了《国家自然科学二等奖》和《吉林省自然科学一等奖》各一项；团队成员分获2014和2015年度国家杰出青年科学基金资助。 R1.,nw2?7v0,6b

2.面向光电成像工程应用的光电探测材料与器件 c4-2Ry8:8wL,~1q

光电探测材料与器件是光电成像技术发展的基石，在国家重大战略需求中具有重要地位。根据探测材料不同，光电成像探测器可分为：基于第一代半导体Si材料的CCD，CMOS探测器，主要用于可见光波段成像；以InGaAs、InSb、HgCdTe为代表的窄禁带第二代半导体焦平面探测器，主要用于红外波段成像；以GaN、SiC、ZnO为代表的宽禁带第三代半导体焦平面探测器，主要用于紫外波段成像。五年中实验室面向国家重大战略需求和科学技术发展前沿，深入系统地开展了光电探测材料与器件的研究，成功研发了系列航天级Si-CMOS成像探测器、高质量紫外探测器。 t3+,xE8:8lN1+4Y

（一）面向国家重大战略性需求，研发Si基高性能CMOS成像传感器 O5=8El4!,gM,~2H

我国航天观测所需的高性能可见光图像传感器长期依赖进口，且高端芯片技术受西方国家严格封锁。即使到2016年，美国商务部的商业管制清单中依然明确把航天级响应波段300nm-900nm、像元数>2048的焦平面探测器列为禁运，这极大地制约了我国可见波段成像技术的发展。为打破技术封锁，解决我国对自主研发航天级可见光成像探测器的需求问题，实验室于2012年王欣洋研究员开展Si基CMOS图像传感器的研究工作。 a6+,uE6!6PV,+5p

（二） 面向国际前沿，研制基于AlGaN、ZnMgO第三代半导体材料的日盲紫外光电探测器件 C8!5xW6+,zh7;,Y

可见光成像会受太阳辐射的干扰，但由于臭氧吸收，200～280nm的太阳辐射无法到达地表，这提供一个没有太阳辐射干扰的日盲紫外波段。基于第三代半导体AlGaN、ZnMgO等材料的日盲紫外光电探测器件具有体积小、全固态、本征日盲、能耗低、抗辐射性强等优势，在导弹告警等方面有着重要的应用。 D5+8Nm9?1em1:3z

[ 新型发光材料与应用 ] k9.6fF31fS2:3T

以抢占学术制高点，信息显示技术应用，以及新原理、新技术探索为目标，开展激光透明陶瓷材料、激光晶体、有机电泵激光、有机电致发光、有机传感器等新材料合成、新器件研究、以及物理过程研究。研究有机电泵激光的激发、发射机制与实现途径；研究具有自主知识产权的高色纯度、高效率新型有机电致发光材料与全彩色有机电致发光显示核心技术。研究具有自主知识产权的高显色指数、高效半导体照明荧光粉材料以及新型激光陶瓷和激光晶体材料。 a3?9Tc9=4VU6-9c

近年来的成果： D,!6iy4;9iU5;2O

2.1阳极界面材料设计获得高效有机太阳能电池 B4=3Qx5?1Qp,:3p

在给体/受体平面异质结太阳能电池ITO/MoO3/rubrence/SubPc/C60 /Bphen/Al中，选择了6种材料作为界面修饰层，包括ZnPc、2-TNATA、m-MTDATA、rubrene、TAPC和CBP。器件的性能可以分为两类，其中以ZnPc、2-TNATA、m-MTDATA为修饰层的器件性能较差，而采用rubrene、TAPC和CBP 作为修饰层的器件效果较好，其中以CBP的性能最佳，其PCE可达5.03%。研究发现器件性能的区别是由他们的HOMO能级决定的，ZnPc、2-TNATA、m-MTDATA的HOMO能级较低，而rubrene、TAPC和CBP的HOMO能级较高，因此能够更好的与MoO3的能级匹配，有利于空穴的收集。成果发表于Scientific Reports 6（2016）26262。 e7:7eH7-5UP44I

2.2荧光量子效率98%的碳纳米发光材料 h2;,AF7.4bJ1.7g

碳纳米点发光是近些年发展起来的一类新型发光材料。具有生物相容性好、无毒、耐光漂白等显而易见的优势，为进一步探索高效碳纳米点，我们通过保护羟基，使该碳量子点同时具有氮掺杂和羟基官能化的特点，大幅提高碳纳米点荧光量子效率（98%）。并发现具有发射波长独立性的碳量子点更容易实现光泵激光。在上述研究基础上开发出固态荧光碳量子点，并实现对全菌-特别是高度致病性（如炭疽芽孢杆菌，鼠疫耶尔森氏菌，霍乱弧菌 O1，李斯特菌，奈瑟氏球菌等）的1分钟快速、高效染色， 其染色效果优于目前广泛使用的商业化荧光染料SYTO9（该染料具有致畸、致癌性）。相关研究成果发表在：ACS Appl. Mater. Interfaces：2017, 8, 25454- 25460。 I5?1Rs4?1On7!7h

[ 纳米发光材料及应用 ] T48DK,~3AZ2?4J

以促进发光学与生命科学交叉为目标，开展以稀土上转换纳米发光材料、碳纳米点发光材料为代表的新型荧光材料在生物细胞标记与识别，重大疾病的光动力/光热治疗等应用中的新原理、新材料、新方法研究。开展不同尺度下凝聚态物质中激发态过程规律研究，设计制备先进纳米发光材料，以及基于纳米材料荧光特异性实现生物分子在体识别标记与疾病早期治疗新原理、新方法研究。 C6-4X08:8dy3+9z

纳米技术的发展为解决癌症等重大疾病早期诊疗所面临的瓶颈问题带来了希望。在生物应用光谱窗口，如何获得高效率、高荧光成像信噪比、生物安全的纳米发光材料是实现纳米材料生物医学应用的核心问题。五年中，实验室团队针对有望具有极高荧光成像信噪比的上转换纳米发光体系和有利于实现生物体内安全应用的碳基发光体系，从发光机理的新探索和新认识出发，指导纳米材料的设计，从而实现生物光谱窗口内高的发光效率和在生物体内的安全应用。 F6~3RK4+8Gr3!2T

（一）在碳纳米点和上转换纳米材料发光过程、发光机理及光谱调控方面： A4!4LF9-8Il6;8e

（1）首次分辨出上转换发光中能量迁移过程，从动力学角度搞清影响效率提升的机制问题 U2=5FQ9!7Dd9.4t

（2）从能量传递角度，抑制无辐射消布局，提升效率 w2?7fA6:6Ms5?,t

（3）抑制浓度淬灭，提升能量转换效率，首次实现非掺杂体系上转换发光 P9.90E88AY3!8b

（4）揭示碳基纳米点发光起源，实现能带调控，提升效率 L9+1oR6?3Zo7.50

（5）揭示表面态空间分离的缺陷态能级是引起浓度诱导荧光淬灭的起源；通过费米能级位置的调控，实现碳纳米点在橙红光波段荧光量子效率达46%。 K2.4Uy3:5Hl6.,T

（一）碳基纳米点存在严重的浓度诱导荧光淬灭，限制其在高亮度荧光标记及成像中的应用。我们揭示表面态空间分离的缺陷态能级是引起浓度诱导荧光淬灭的起源。通过对其表面进行阳离子钝化处理，使更多的电子填充到表面态能级，提高体系的费米能级，有效的抑制了表面态对本征发光过程造成的能量损耗，使碳基纳米点在橙红光波段荧光量子效率达到46%（为国际最高值）。相关工作发表在相关工作发表在【Adv. Mater. 2016, 28, 3516】，该论文为ESI高引用论文。 n2+1Xy9=,TH,2l

（二）高效发光纳米材料在肿瘤精准诊治、医学成像中的应用 X9~1xf9.9tx7?9K

（1）上转换纳米发光材料在肿瘤光动力治疗中的应用 W5?6Or,!8xC3?6N

（2）碳纳米点发光材料在肿瘤成像与治疗中的应用 Y9+5zO,:4fu2?9U

[ 大功率半导体激光器及应用 ] h2~4mk8+7Es4.,l

大功率半导体激光器在激光泵浦源、激光加工、激光武器等方面具有广阔的应用前景，已成为国民经济建设和国防建设重要的关键基础元器件和核心支撑技术。该方向以解决国家重大战略需求为目标，围绕材料生长和器件理论研究、器件工艺研究、激光合束技术研究、激光应用研究和系统设备开发，开展如下研究：1）激光芯片MOCVD生长；2）高功率高亮度半导体激光器、垂直腔面发射激光器、光子晶体半导体激光、中红外半导体激光器；3）半导体激光器光束整形、合束和光纤耦合，半导体激光器应用系统开发。 Q5,EC4!9cs6?,I

一、简介 u3-5fk5+9y05=1g

该学科方向以新型高亮度半导体激光器、大功率垂直腔面发射激光器和长寿命无铝量子阱激光器工程化应用关键技术突破为研究基础，开展材料生长和器件理论研究、器件工艺研究、激光合束技术研究、激光应用研究和系统设备开发。该方向已经建成吉林省半导体激光工程研究中心、半导体激光科技创新中心和国际科技合作基地，具备完整的半导体激光器芯片设计和模块开发工艺线。 I9;6cf9!5mC9?5K

二、研究方向和研究内容 f62xu8~5iM7+5N

1、 新型半导体激光器设计与特性仿真 O5+2hr,.40v3;3u

研究高功率半导体激光器的光-电-热及其耦合特性，提高器件模式特性、功率输出等；研究新型有源区材料和波导结构，设计集成光栅结构、外腔结构和列阵结构等新型激光器件。 m7-8dH7-5dF9-2B

2、 III-V族半导体材料MOCVD生长 X6?1iT9?6gz2!8z

立足于Aixtron200/4 MOCVD系统，开展高质量半导体激光器材料生长研究，为高功率半导体激光器的制备提供外延片支持，并拓展新型结构材料和新波段材料体系。 w4!3px,=7TE,?,V

3、 高功率高亮度半导体激光器研究 R9-,cW5!2zO4!5T

研究近红外波段高功率高效率半导体激光器，设计新型结构提高光束质量、光谱纯度等品质；优化器件制备工艺、封装方式、散热结构和驱动电路，实现器件高性能和高可靠工作。 E4.5ps5:8aG3.7F

4、 垂直腔面发射激光器及高功率相干列阵 Y,~5BO5~6sg2.4l

研究高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）功率限制机制，制备高功率VCSEL列阵及应用模块；研究新型面发射列阵及其相干耦合方法；设计和制备795nm和8894nm等新波长高温工作低功耗VCSEL器件。 Y7!4dj3:5OS7+4S

5、 半导体激光器光束整形、合束和光纤耦合 N6:2FW7!4XU7+2W

研究半导体激光器光束传播特性，以空间合束、偏振合束和波长合束为基础，研究高亮度外腔合束和高效率光纤耦合模块，实现百瓦-千瓦级高光束质量半导体激光光源的工程化应用。 I57qv7.20t9!6E

6、 光子晶体半导体激光 y7+3eM2;9wM3?6k

利用光子晶体波导技术，实现高光束质量、低发散角(<5o)、高功率半导体激光器；利用光子带隙原理，制备高品质激光谐振腔，实现极低功耗单量子点钠腔激光器(<100 nW)；利用耦合光子晶体谐振腔，实现中红外宽光谱可调谐激光。 Q2=20H1.7Jr4-9y

7、 新型高功率中红外半导体激光器 j1.2BB6;4wS9;6p

研究中红外2.X μm GaSb基半导体激光器、3-12μm波段量子级联激光器及太赫兹量子级联激光器的制备工艺、封装散热和合束技术，实现高功率、高光束质量中红外激光。 S72In6:5jS2?,B

8、 半导体激光器应用系统开发 h,:5Cx,!1Wo8?8z

开展半导体激光器应用系统，解决高功率半导体激光加工、半导体激光治疗仪和激光气体检测等应用系统的实用化技术问题，开拓半导体激光应用领域。 W3-2ZB7~8Pw7!4z

三、近几年成果 G5-6GQ5?9Ns6~6N

半导体激光器具有能量转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性好等优点，但由于发散角大、椭圆出光等原因，导致其光束质量较低，通常用作固体激光和光纤激光的泵浦光源。合束技术的发展已经使得半导体激光器可以作为直接光源应用，但对于某些国防上的应用需求，半导体激光器的功率和光束质量依然还有差距。对于高性能的半导体激光光源，美国等国家对我国进行严格的禁运。鉴于此，实验室研究团队从两方面入手提升半导体激光器的光束质量及亮度：一是从芯片层级降低激光器快慢轴发散角，提高功率，获得高亮度激光单元器件；二是突破外腔反馈光谱合束技术，从系统层级提高激光功率和光束质量，满足机动平台激光对抗武器装备中对小体积、高功率、高亮度激光光源的应用需求。 r7:5Hi,;7lh8~1G

（一）高亮度半导体激光单元芯片技术 S5=9tz7+6kZ9:1X

（1）提出双边布拉格反射波导结构，实现低发散角圆形光束边发射激光器 o2~,Fs97sJ5-,E

（2）高功率圆形光束垂直腔面发射激光芯片 r9-9ZC,!1hG45L

（二）外腔反馈光谱合束高功率半导体激光模块 P1!6BQ,!8hy4.,n

光谱合束是基于高亮度激光芯片来提升激光系统亮度的关键技术。为满足国防需求，研究团队在光谱合束方法上进行了创新，提出基于瑞利光学的外腔反馈光谱合束方法、密集波分复用外腔反馈光谱合束方法和多波长光谱合束方法，实现300W~850W的高亮度激光合束光源，成功应用于国防重大工程任务。 u1;2xV6=,sQ8~2O

（1）基于瑞利光学的外腔反馈光谱合束方法 q36pz,7Ec5;6W

（2）密集波分复用外腔光谱合束方法 s5-7qo5~5Ls9+9Q

（3）多波长光谱合束技术 p7!3Ol8!1Jx5:1p

（三）实现大功率半导体激光器国防应用，解决国家重大战略需求 Y61Gv25VF3!9J

（1）重大工程应用，解决国家安全需求 V8+4Pu9-1EN2!2J

（2）重大预研应用，满足未来发展需要 i1=7rf5~9vQ5=4X

（3）光电对抗应用，满足实战需要 c3=,AZ7.1oF7?3c

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