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解析白光激光和准白激光

导读: 白光激光是各国科学家重点研发的对象,它不但能拓展激光应用新领域,也是诞生新科技的基础。

导言:白光激光是各国科学家重点研发的对象,它不但能拓展激光应用新领域,也是诞生新科技的基础。非线性晶体的研究是白光激光研发的重要环节,但在研发过程中,人们往往忽略了输出的白光激光所应具备的激光特性,没有真正做到“激光进,激光出”的效果(指激发激光通过照射非线性晶体,产生的白激光应当具备激光的所有特性,是真正的激光。),导致白光激光丧失了激光的许多优良特性,阻碍了白光激光的应用和发展历程。

现在,白光激光已经应用于部分领域,产生白光激光的方法很多,如何正确理解现在已经诞生的白光激光?真正意义上的白光激光该怎样定义?真正的白光激光是否能够被创造出来呢?

一)白激光因具备传统激光所没有的优点,已在很多领域已得到应用。白激光产生方式多种多样,众多科学家对白激光技术的研究一直有着浓厚的兴趣。

作为人造光源,激光一直以红、绿、蓝三基色形态存在;因其独特的“三好一高”(单色性好,相干性好,方向性好,亮度高)特性,在众多领域得到广泛应用。

由于受激光器产生激光的限制,导致了激光单色性好的特性,但这也成为激光在应用领域的短板;激光器不能够产生任一波长的激光,也不能产生超连续、超宽带的激光。而在激光应用领域,人们对激光的频率(或波长)有不同的需求,这时候就要借助非线性晶体的帮助。但很多波段的激光依然不能够被创造出来。

目前非线性晶体只能产生有限范围波长的激光。波长范围窄的激光,相对于超宽谱的白光激光而言,它所能承载的能量和信息量远远小于后者。因此全相干、超连续、超宽带、覆盖太阳光谱的白激光成为各国科学家的重点研究对象。白激光的研发,也将给激光的应用领域带来革命性的变革和颠覆。

在现实生活中,人们对白光激光最直观的认识是激光显示技术和照明技术,它们都需要应用覆盖可见光谱所有波长的激光――白光激光。除此外,依据激光光子能够携带能量和信息这一特性,白光激光较波长范围窄的单色激光更加有优势,可以作为光通讯和高功率切割的替代光源。

2014年,在诺贝尔颁奖典礼上,蓝光之父,诺贝尔奖获得者中村修二说:“未来5-10年,激光照明将取代LED照明。”为此,2016年12月,“中村修二激光照明实验室”在深圳成立。中村修二――LED照明的创始者,如今他要亲手颠覆自己创建的LED照明的帝国。

作为下一代显示技术,激光显示也受到科技界、企业界共同关注。相比于传统的显示技术,激光显示从高亮度、清晰度、色域、色饱和度、使用寿命等方面都具备领先优势,极具产业化前景;中国众多企业纷纷掀起激光电视热,相关产品已经上市。

从根源看,白光激光光源的研发和获取,是白激光应用的根本前提。

早在2004年,南京大学研究小组把双波长激光技术和光学超晶格频率转换技术结合在一起,首次获得了530mW的白激光输出。但获取方案复杂,基波源是一台双波长输出激光器,非线性晶体是一块级联结构的光学超晶格,通过对2条基波红外谱线进行倍频和三倍频得到红绿蓝三基色光,并通过调节晶体温度等参数来调节三色光之间的功率比例,从而获得白光激光输出。但这种白光激光获取不但困难,性能还极其不稳定。

无独有偶,2011年美国桑迪亚国家实验室利用四台分立的大型激光器产生出了高质量的白光激光。但这些分立的大型激光器并不适合于照明或显示设备等实际应用。该团队又通过研究半导体材料从而实现了可见激光的调谐输出,并可通过调节红绿蓝三基色光的功率比例,复合成白激光。2015年,他们宣布世界第一台白光激光器在美国诞生。

研发者说:“激光具有较高的单色性,与普通光源相比,激光器发出的全部光辐射只集中在较窄的频率范围内。因而按照常理来说,白激光是不可能发出的。然而,我们通过调节红绿蓝三基色激光的强度比例,使三原色相遇,产生了白激光,使不可能变成了可能。可以说,白激光是整个可见光谱的复合光。”由此可见,美国诞生的世界第一台白光激光器产生的白激光是基于三基色激光的复合激光。

目前,产生白激光的方法多种多样,但究其根源,大多都离不开传统激光――红绿蓝三基色激光的身影。

除上述方法外,光子晶体光纤白光激光器也可产生高功率,宽带,超连续的白光激光。它产生的白光激光主要应用于光电流显微检测、纳米光子学、荧光光谱与成像、超分辨成像、光学相干断层扫描等众多领域。

白光激光具有传统激光所没有的特性,弥补了传统激光的不足;白光激光光源的研发能带来更多领域的变革和发展,并产生新的科学领域,以及新的应用;因此,它必然成为众多科学家追逐研究的对象。

二)美国宣布第一台白激光器的诞生后,为什么又沉寂多年而得不到实际应用?光子晶体光纤白激光器为什么没有广泛地普及和应用?

在解答这些问题答案之前,让我们再认识一下什么是激光,以及激光器的2块重要晶体:激光晶体和非线性晶体。

激光是通过受激发射光扩大而产生的,具有良好的单色性、空间相干性和时间相干性、方向性好,亮度极高。

激光的这四个特性,表明激光在很大的相干体积内具有很高的相干光强。相干性是激光的一个重要特征。“传统激光与白激光相比,我们排除单色性(因为白光没有单色性),所有的激光必须具备良好的相干性、方向性和亮度高的特性,才能称之为激光”。

固体激光器包含2块关键的晶体――激光晶体和非线性晶体。在实际应用中,人们需要不同波长范围的激光,激光器提供给人们实际应用所需的激光波长,取决于非线性晶体;“激光晶体提供激发激光,通过激发非线性晶体而获取所需波长的各种激光”。

据此,我们得出结论,白光激光作为一个独立的激光光源,如果通过非线性晶体产生,那么,它必定拥有激光的所有特性。

查阅NATURE上发布的相关信息《Researchers demonstrate the world’s first white lasers》,有这段描述“The researchers have created a novel nanosheet-a thin layer of semiconductor that measures roughly one-fifth of the thickness of human hair in size with a thickness that is roughly one-thousandth of the thickness of human hair-with three parallel segments, each supporting laser action in one of three elementary colors. The device is capable of lasing in any visible color, completely tunable from red, green to blue, or any color in between. When the total field is collected, a white color emerges.”,我们从中可以了解,美国白光激光器产生的白激光,是基于三个平行段的半导体材料,它们分别产生可调的三基色激光,最后复合而成为白色激光。 并且文章还阐述了制作产生白激光的三块平行增益介质是如何的困难。

看到这里,我们有一个重要的概念要提醒大家:不同的非线性晶体,不能够产生相干性一样的激光。因此,由3块不同半导体材料产生的白激光,在相干性方面,表现为相干性不一致。

于是有如下的结论:美国白激光,因为相干性不一致,因此,不具备完美的激光特性,。而且产生白激光的增益介质制作工艺复杂,阻碍了白激光器的推广。

在《基于光学超晶格和全固态激光技术的准白光激光器》一文中,作者胡小鹏和祝世宁把通过三基色诞生的、缺失了很多激光的优良特性的白激光给了一个科学的冠名“准白光激光”。准白激光欠缺了激光的许多优良特性,不属于完美的白光激光,不是真正意义上的白光激光。

光子晶体光纤激光器产生的白激光,虽具备高功率、宽带、超连续等特性,但是,“脉冲在光纤传输产生白激光的过程中,受到噪声的影响,最后得到的超连续谱的相干性也受到影响。如果将超连续谱作为宽带光源用于医学、计量学和光脉冲压缩等领域,其必须有良好的相干性,因此相干性好坏也是衡量超连续光谱的一个重要方面”(《基于光子晶体光纤的超连续谱相干性研究》作者姚当)。由此可见,光子晶体光纤激光器虽然能够产生白激光,因其相干性被破坏,也不能算是优质的激光光源。这或许就是它应用范围受阻的一个重要原因。

我们认为,相干性欠缺的光子晶体光纤激光器产生的白激光,也属于“准白激光”。

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