赵永生&闫永丽Nat. Commun.：基于有机打印微激光阵列的全色激光显示

【研究背景】

与基于非相干宽带光源的传统显示技术相比，激光显示得益于激光较高的单色性和亮度，具有更宽的可实现色域、更高的对比度和更鲜艳的色彩，有望给显示行业带来革命性的变革。但是，由于缺乏合适的自发射激光显示面板，全色激光显示尚未在手机、平板等移动端的实现。因此，开发具有宽调谐范围的多色激光像素化结构对平板激光显示就显得尤为重要。一种有效的策略是将离散的红色、绿色和蓝色微激光器集成到周期阵列中以构建显示面板，其中每组RGB微激光器形成一个像素。这就需要多种材料在相同的基板上生长并实现图案化。然而，由于材料相容性差，制备过程中存在的固有困难使得这种器件的实现具有极大的挑战性。
有机材料具有良好的相容性、大的光学截面和宽的光谱覆盖，是发展全彩色激光器的理想材料。有机材料优异的柔韧性和加工能力使其可以通过光刻、电子束刻蚀、激光直写等方式加工成微激光阵列。由于其优异的光电性能和可加工性，有机材料在周期性图案多色微激光阵列的制备中具有巨大的潜力。

【成果简介】

近日，中科院化学所赵永生研究员和闫永丽副研究员首次在喷墨打印精确制备的有机红-绿-蓝（RGB）微激光阵列面板上展示了全彩色激光显示。他们采用超声振动辅助喷墨技术，制备了精确定位的微半球激光器，并通过掺杂不同的发光染料制备相应的“墨水”，得到了红色、绿色和蓝色的微激光器阵列。每三个相邻的RGB微半球激光组成一个单独的全色显示像素。这种方法得到的RGB激光像素，其覆盖的色域范围比标准RGB空间大45％。利用预制备的微激光器阵列作为全彩色显示面板，通过连续光束扫描还实现了动态激光显示用于信息滚动播出、视频播放等。这些结果代表了迈向具有出色色彩表现力的全色激光显示器的重要一步。该成果近日以“Full-color laser displays based on organic printed microlaser arrays”为题发表在知名期刊Nat. Commun.上。

【图文导读】

图一：有机RGB微激光像素阵列的制备

（a）通过超声振动辅助喷墨打印法制备有机RGB微激光像素阵列的示意图；
（b）大面积有序阵列结构的照片；
（c-d）显示的RGB像素阵列的显微镜图像及单个像素放大图；
（e）紫外光照射（330-380 nm）下单个RGB像素的荧光显微图像。

图二：单个像素产生的RGB激光

（a-c）不同功率激光对单个微半球进行光致激发的荧光光谱及图像；
（d-f）425、555和606 nm处荧光强度随激光功率的变化，折线处显示其激射阈值分别为39.6、80.0和33.4 μJ cm^-2。

图三：打印像素阵列中的全彩可调激光

（a）RGB像素中不同半球组合激射的光谱和相应的荧光图像；
（b）从（a）中激光光谱提取的色度；
（c）由不同RGB微半球组成的像素阵列的“ICCAS”图案的远场照片。

图四：全色激光显示

（a）可编程的全彩激光显示的示意图；
（b）基于3×5的RGB像素阵列的多色阿拉伯数字显示。显微镜图像（左列）和光致发光图像（右三列）；
（c-e）在相同的面板上交替显示三种颜色分布不同的蝴蝶图像（44×44像素，对角线2.2 cm）。

【小结】

作者展示了使用基于自发射有机微激光器阵列的全彩激光显示面板。通过对红绿蓝三色发光墨水进行顺序打印并精确定位，得到红色、绿色、蓝色微半球激光器阵列，其中每组RGB微激光器构成一个单独的显示像素。调整单个RGB像素的激发方式在远场中实现了精确的色彩显示。在此基础上，以像素化的微激光阵列为显示面板，构建了全彩色激光显示的原型，并采用可编程控制的面板实现了动态激光显示，广泛适用于静态图像显示和视频播放。这些成果使我们离高性能、易制造、大面积的平板激光显示器和激光照明设备又近了一步。

文献链接：Full-color laser displays based on organic printed microlaser arrays(Nat Commun.,2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08834-6)

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