美国利用超材料设计法让LED光线像激光 可实现更高效汽车照明

据外媒报道，美国加州大学圣芭芭拉分校（UC Santa Barbara，UCSB）的研究人员将利用一种新方法，突破LED设计的边界，可能会为更高效、功能更多的LED显示屏和照明技术铺平道路。

（图片来源：加州大学圣芭芭拉分校）

UCSB电子和计算机工程系教授Jonathan Schuller及其合作者描述了该种新方法，能够让虚拟现实（VR）头显、汽车照明等各种LED设备变得既更加精致又更加时尚。

Schuller表示：“我们展示的是一种新型光子结构，不仅能够提取到更多光子，还能够将光子引向理想的地方。”他还解释表示，不使用通常用于控制LED发出的光的外部封装组件就改进了此种性能。

LED中的光线是半导体材料被激发时产生的，当沿半导体晶格运动的带负电荷的电子遇到带正电荷的空穴（没有电子），并转变为能量较低的状态时，在此过程中会释放一个光子。在测量该过程时，研究人员发现，有相当数量的光子在产生，但是并没有从LED中产生。

Schuller表示：“我们意识到，如果在形成图形之前，观察发射出的光子的角度分布，往往会发现，光子在一个特定方向达到峰值，而该方向通常困在LED结构中。因此，我们意识到可以采用传统的超表面概念，来设计通常会被困住的光线。”

研究人员所确定的设计包括在一个蓝宝石基底上，设置一组1.45微米长的氮化镓（GaN）纳米棒。由氮化铟镓（InGaN)）制成的量子阱被嵌入至该纳米棒中，以限制电子和空穴，从而发出光线。除了让更多的光线离开半导体结构，该设计还可实现偏振光，这一点对于很多应用而言都至关重要。

Iyer几年前在Schuller实验室完成博士学位时就产生了该项目的想法，该实验室的研究重点是亚波长范围内的光子学技术和光子现象。超表面是一种具有纳米级特征、并能与光线相互作用的工程表面，也是Iyer的研究重点。

Iyer之前一直在研究如何用超表面引导激光束，他表示：“从本质上看，超表面就是亚波长天线阵列。”他也了解到，典型的超表面都依赖入射激光束的高度定向特性，以产生高度定向的输出光束。

另一方面，LED会发射自发光，不同于激光的受激相干光。

Schuller解释表示：“自发发射对所有光子可能的运动方式进行了采样，所以，光线看起来像一束能够向所有可能的方向运动的光子。问题是，能否通过仔细的纳米级设计和半导体表面制造，将产生的光子引导到期望的方向？”

Iyer表示：“以前有人设计过LED，但是总是将LED光线分成多个方向，效率很低。还未曾设计出方法，以控制LED的光线朝一个方向发射。”