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等優(yōu)點，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,、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，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,，仍然是一項緊迫而嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　蘇州納米所張學同研究員團隊通過精準調(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）高于國際標準化組織對室內(nèi)工作場所照明的要求,；照度變化系數(shù)（CIV）低至 8.1％,，遠低于商業(yè)散射材料；散斑對比度低于人眼識別極限（4％）,?；谌す馄骱蜕虡I(yè)熒光粉可實現(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一步應(yīng)用于雨中,、水下和遠距離非接觸式激光驅(qū)動照明，極大推動了激光照明的技術(shù)進步,。

　　根據(jù)瑞利－高斯理論,，散射光強與氧化硅氣凝膠構(gòu)筑單元直徑的三次方成正比。構(gòu)筑單元尺寸越小,，散射光強越低,，透過率越高，激光照射樣品后會形成明亮光斑,；構(gòu)筑單元尺寸過大會造成散射光強過高,，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

　　作者通過調(diào)控氧化硅氣凝膠制備過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,，而且提高了力學性能,，可壓縮至自身尺寸的80％，壓縮強度大于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10.29J·cm–2，可承受高功率密度激光輻射,。作者利用理想模型,，計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,。利用分光光度計和積分球測試氣凝膠的直線透過率和背向散射率，并計算出前向散射率,，終確定構(gòu)筑單元直徑位于24–40nm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性能

　　圖4驗證了具有不同構(gòu)筑單元尺寸的氧化硅氣凝膠用于激光照明的實際使用效果，并定量測量了其照度分布,。當氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸過大時（d＞40nm）,，激光被氣凝膠全部反射（CIV＝269.5％）；當氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸過小時（d＜24nm）,，激光透過氣凝膠形成明亮的光斑（CIV＝168.6％）,；只有當氣凝膠的構(gòu)筑單元尺寸合適時（24nm＜d＜40nm）才能均勻散射激光而不產(chǎn)生光斑（CIV＝79.2％，）,。為了進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,，成功攻克背散射強度大于前散射強度這一技術(shù)瓶頸,，得到的CIV僅為9.1％,，分別達到商業(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

　　精細調(diào)控的氧化硅氣凝膠可用于不同波長的激光散射,。作者基于三基色激光器和商業(yè)熒光粉實現(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際標準化組織對室內(nèi)工作場所照明的要求,。由于氣凝膠的超疏水性和激光的準直性,，其可進一步應(yīng)用于雨中、水下和遠距離非接觸式激光驅(qū)動照明,，也可利用光纖實現(xiàn)激光跨越障礙物照明,，如圖5所示。豐富的使用場景和優(yōu)異照明效果極大地推動了激光驅(qū)動照明的技術(shù)進步,。

　　圖5 氧化硅氣凝膠作為漫散射體的激光驅(qū)動照明的具體應(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NO1作者，張學同研究員為論文通訊作者,。該論文工作獲得了國家自然科學基金和英國皇家學會–牛頓高級學者基金等資助,。