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  固態(tài)照明（發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)）具有高效和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)照明。輸出功率隨輸入功率線性增加的LD不僅效率可與LED相媲美，還兼具照射距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有可能成為下一代照明光源。但是如何將高度匯聚的單色LD光源轉(zhuǎn)化為照明所需的三維立體均勻白光，仍然是一項(xiàng)緊迫而嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

  中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元的尺寸，控制光與不同尺寸構(gòu)筑單元的選擇性相互作用，連同沿入射光方向故意制造的深孔，使得氧化硅氣凝膠散射激光的照度均勻度（0.770–0.862）高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)室內(nèi)工作場(chǎng)所照明的要求；照度變化系數(shù)（CIV）低至 8.1%，遠(yuǎn)低于商業(yè)散射材料；散斑對(duì)比度低于人眼識(shí)別極限（4%）。基于三基色激光器和商業(yè)熒光粉可實(shí)現(xiàn)包括白光在內(nèi)的任意顏色照明。此外，該氧化硅氣凝膠可進(jìn)一步應(yīng)用于雨中、水下和遠(yuǎn)距離非接觸式激光驅(qū)動(dòng)照明，極大推動(dòng)了激光照明的技術(shù)進(jìn)步。

  根據(jù)瑞利-高斯理論，散射光強(qiáng)與氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元直徑的三次方成正比。構(gòu)筑單元尺寸越小，散射光強(qiáng)越低，透過(guò)率越高，激光照射樣品后會(huì)形成明亮光斑；構(gòu)筑單元尺寸過(guò)大會(huì)造成散射光強(qiáng)過(guò)高，入射激光幾乎被全部反射；只有構(gòu)筑單元尺寸在一定范圍內(nèi)的氣凝膠才能散射激光從而用于照明（如圖1所示）。

圖1、激光與具有不同構(gòu)筑單元尺寸的氧化硅氣凝膠之間的相互作用。

  作者通過(guò)調(diào)控氧化硅氣凝膠制備過(guò)程中表面活性劑的濃度，從而精確控制了氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元的尺寸，如圖2所示。構(gòu)筑單元尺寸不同，整體樣品的透明性會(huì)顯著不同。此外，獲得的氧化硅氣凝膠表現(xiàn)出典型的比表面積和孔徑分布特征，也具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。以甲基三甲氧基硅烷為前驅(qū)體，不僅降低了獲得的氧化硅氣凝膠的交聯(lián)密度，而且提高了力學(xué)性能，可壓縮至自身尺寸的80%，壓縮強(qiáng)度大于1 MPa。由于氧化硅氣凝膠骨架中含有豐富的甲基，賦予了獲得的氣凝膠的超疏水性，被污水浸泡后依然能夠“出淤泥而不染”。

圖2、二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。

  氧化硅氣凝膠吸光率低于1%，激光損傷閾值高達(dá)10.29 J·cm^–2，可承受高功率密度激光輻射。作者利用理想模型，計(jì)算出氣凝膠的直線透光率只有在合適的范圍內(nèi)才有可能使激光不產(chǎn)生明亮光斑或全部被散射，如圖3所示。利用分光光度計(jì)和積分球測(cè)試氣凝膠的直線透過(guò)率和背向散射率，并計(jì)算出前向散射率，最終確定構(gòu)筑單元直徑位于24–40 nm范圍內(nèi)的氧化硅氣凝膠可用于高效激光照明。

圖3、氧化硅氣凝膠的光學(xué)性能。

  圖4驗(yàn)證了具有不同構(gòu)筑單元尺寸的氧化硅氣凝膠用于激光照明的實(shí)際使用效果，并定量測(cè)量了其照度分布。當(dāng)氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸過(guò)大時(shí)（d＞40 nm），激光被氣凝膠全部反射（CIV=269.5%）；當(dāng)氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸過(guò)小時(shí)（d＜24 nm），激光透過(guò)氣凝膠形成明亮的光斑（CIV=168.6%）；只有當(dāng)氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸合適時(shí)（24 nm＜d＜40 nm）才能均勻散射激光而不產(chǎn)生光斑（CIV=79.2%,）。為了進(jìn)一步提高散射均勻性，降低CIV，作者在氣凝膠表面沿入射光方向造孔，成功攻克背散射強(qiáng)度大于前散射強(qiáng)度這一技術(shù)瓶頸，得到的CIV僅為9.1%，分別達(dá)到商業(yè)毛玻璃和聚合物散射板的1/27和1/15,并且散斑對(duì)比度低于4%。

圖4、氧化硅氣凝膠作為漫散射體的激光照明照度分布。

  精細(xì)調(diào)控的氧化硅氣凝膠可用于不同波長(zhǎng)的激光散射。作者基于三基色激光器和商業(yè)熒光粉實(shí)現(xiàn)了包括白光在內(nèi)的任意顏色照明，并且照度均勻度高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)室內(nèi)工作場(chǎng)所照明的要求。由于氣凝膠的超疏水性和激光的準(zhǔn)直性，其可進(jìn)一步應(yīng)用于雨中、水下和遠(yuǎn)距離非接觸式激光驅(qū)動(dòng)照明，也可利用光纖實(shí)現(xiàn)激光跨越障礙物照明，如圖5所示。豐富的使用場(chǎng)景和優(yōu)異照明效果極大地推動(dòng)了激光驅(qū)動(dòng)照明的技術(shù)進(jìn)步。

圖5、氧化硅氣凝膠作為漫散射體的激光驅(qū)動(dòng)照明的具體應(yīng)用

  相關(guān)工作以“Elaborate Size-tuning of Silica Aerogel Building Blocks Enables Laser-driven Lighting”為題發(fā)表在國(guó)際知名雜志《Advanced Materials》上。中科院蘇州納米所博士生季小飛為論文第一作者，張學(xué)同研究員為論文通訊作者。該論文工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)–牛頓高級(jí)學(xué)者基金等資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107168