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浅谈白光激光及其应用

2017-08-03 14:07
南京晶之彩
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原文作者:南京晶之彩材料科技有限公司,white光子晶体研发组

导言:

现存的激光技术一直有一个短板,就是只能发出单一波长或者窄频带的光。如何将激光的频率扩展形成超宽带、超连续,涵盖紫外、可见和红外波段的相干白光激光,仍然是人类尚未实现的梦想,是个世界范围内的科技难题。这是由于激光器由光学谐振腔、增益介质和泵浦源构成。激光器波长是由增益物质中原子、分子或者离子的能级结构决定的,由于自然界激光晶体材料在增益频率范围和增益带宽有很大的局限性,激光器不能产生任意波长的激光。

到底会不会创造出这种完美的白激光?它的出现又能给激光的应用带来哪些变革和发展呢?

一、太阳光

众所周知,万物生长靠太阳,太阳光为地球带来光和热。人们所熟悉的太阳光是一种白光,其频谱涵盖了紫外-可见-近红外-中红外波段,如图1所示,在可见光波段(400-700nm)辐射能量最强,涵盖了红橙黄绿青蓝紫七种颜色,而且在光谱上连续分布和过渡。因为太阳光是白光,所以在雨后的天空经常会看到彩虹,或者太阳光通过一个玻璃三棱镜会出现七种颜色的光带(图2),这是人们日常生活中的普遍经验。

人们不那么熟悉的一件事是,太阳光是一种完全非相干光。体现在空间相干性方面,太阳光不能准直,高度发散,在时间相干性方面,太阳光不同颜色之间没有任何的相位关联和锁定。因此太阳光只能用来产生能量,应用于取暖、热水器、太阳能电池等方面。但是,太阳光用来传递信息等现代科学技术的应用,就显得力不从心。

图1. 太阳光光谱分布图。包括太阳自身的黑体辐射光谱图、入射到地球的太阳光光谱图、由于大气水分及二氧化碳的吸收而到达海平面的太阳光光谱图。

图2. 太阳光通过玻璃三棱镜后,形成红橙黄绿青蓝紫七种颜色的连续分布和过渡的彩色光带,表明太阳光是一种白光。

二、激光

激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点,其综合性能远超过传统的太阳光、白炽灯、日光灯、LED灯等光源,是人类利用光的信息和能量的革命性方式。自1960年梅曼发明第一台激光器(红宝石激光器)以来,在过去50年中,激光技术获得了巨大的发展,取得了伟大的成就,在人类社会的多个领域发挥着重要的应用作用。激光技术的发展日新月异,从早期的气体激光器(氦氖激光器),高功率二氧化碳激光器,准分子激光器,可调谐染料激光器,半导体激光器,纳秒和皮秒脉冲激光器,到近期的光纤激光器和飞秒脉冲激光器,激光器家族成员越来越多,各方面的性能(光束质量、模式形态多样性、脉冲宽度、峰值功率、平均功率、空间相干性、时间相干性等)不断提升。激光技术的应用范围也是越来越广阔,已经成为科学研究、国防军事、照明、光纤通信、信息传感、存储和显示、工业生产、生物医学、环境检测等方面不可或缺的工具,而且极大地推动着这些应用不断走向新的水平和台阶。

但是,现存的激光技术一直有一个短板,就是只能发出单一波长或者窄频带的光。如何将激光的频率扩展形成超宽带、超连续,涵盖紫外、可见和红外波段的相干白光激光,仍然是人类尚未实现的梦想,是个世界范围内的科技难题。这是由于激光器由光学谐振腔、增益介质和泵浦源构成。激光器波长是由增益物质中原子、分子或者离子的能级结构决定的,由于自然界激光晶体材料在增益频率范围和增益带宽有很大的局限性,激光器不能产生任意波长的激光。

1961年发明的非线性频率转换技术(倍频、和频、差频、参量放大等)能将一个品质优良的激光器的某一个固定波长的激光输出,通过非线性晶体材料转换到很难或根本不可能直接得到的波长区间,因此,非线性频率转换技术是拓宽激光输出波长的重要手段,而非线性晶体材料是该技术的基础。非线性频率转换要求相位匹配,在相位匹配的条件下,非线性过程可以获得最大转换效率。双折射匹配和准相位匹配是两种常用的相位匹配技术,适用于不同的激光系统。但是,由于目前所有的非线性晶体的色散效应,非线性过程中的相位匹配通常不能得到自动满足,在双折射匹配和准相位匹配技术下,非线性晶体材料的频率转换范围及带宽依然存在很大的局限性。事实上,目前已有的激光器系统所产生的激光远远不能涵盖所有的波段,很多重要的波长处并没有相应的激光器。另外,激光器的带宽也是有限的,最好的钛宝石飞秒激光器也只能覆盖300nm的范围,且其中心波长在800nm。自激光发明和非线性光学诞生50年以来,没有任何方案可以产生真正意义上的白光激光。

当今时代,各个发达国家都将非线性光学晶体、器件及应用放在优先发展的位置,并作为一项重要战略措施列入各自的高技术发展计划中,给予高度重视和支持。就非线性光学晶体、器件及应用整个领域的科技水平来看,发达国家如美国、英国、德国、日本等居于世界前列,从最初的原理提出、新材料的探索、器件的开发、整机设备等,他们都作出了重要的贡献。作为产业大国,在大规模生产的非线性光学晶体如LiNbO3等占有垄断地位。在器件制造方面,由于整体技术力量强,工业基础好,美、欧等发达国家占有决定性的优势地位。

我国在非线性光学晶体领域占有重要的地位,多种非线性光学晶体的生长技术居国际先进水平,国外已有的所有晶体生长方法我国都有,几乎所有重要的非线性光学晶体都已生长出来,一些重要晶体满足了国内重大工程需求,一批高技术晶体已成为商品。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确将“激光技术“列为八大前沿技术之一,本项目面向《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中的“激光技术”、“新材料技术”前沿技术,“凝聚态物质与新效应”科学前沿问题,因应国家科技发展的重要战略要求。

如果能够利用非线性光学晶体材料中的各种非线性光学效应,成功地将激光的窗口扩大到紫外、可见、红外等范围,而且光谱连续分布,就如图1所示,就产生了所谓的白光激光或者太阳激光。这样的一种崭新的技术无疑将极大地提升激光技术的发展水平,极大地扩大激光器家族的成员规模,极大地提升激光技术现有应用的水平,并诞生众多前所未有的崭新应用。因此,这样的技术将有着巨大的应用价值,其涵盖的全链条领域是个数以万亿计的空白市场。

三、白光激光的优点及应用前景

白光激光光源、短波激光光源和超连续激光光源相比于普通的白光光源(如太阳光、白炽灯、白光LED灯等),具有亮度高、峰值功率强、频率覆盖范围广等优点,在科学研究、国防军事、照明、通信技术、信息技术、工业生产、生物医学、环境检测等领域有广泛的实际应用价值,获得了强烈的关注。

白光激光作为一种崭新的激光光源,具有方向性好、能量密度高、超连续的光谱、极大的带宽、灵活多样的中心波长、高度的时间和空间相干性等多种多样的优点,将极大地拓展激光技术的功能和应用范围。白光激光或者太阳激光是时空完全相干的光,不仅激光光束高度准直,不发散,而且能够聚焦到极小的区域;不同颜色之间振幅和相位完全锁定,通过调控这些振幅和相位,可以随心所欲地改变激光的时间脉冲形状,产生脉宽极短(飞秒及亚飞秒)的激光脉冲。这样的太阳激光将有可能实现光的能量在时空上的聚焦和汇聚双重效应,在微小区域和极短时间内上释放出能量,从而形成极高的瞬时功率密度。

作为一种全新的激光光源,白光激光的应用涵盖基础科学研究、通讯信息、工业生产、国防军事、生物医学和环境检测等。简单的介绍如下:

1、物理、化学和材料科学基础研究

激光已经广泛应用在基础科学研究上,包括物理、化学和材料科学的许多领域,都需要通过激光和物质的相互作用,来获得微观世界物质的信息,从而了解原子、分子和固体、液体等材料的物质状态和属性,从而为达到认识微观世界并予以应用的目标。不同于现有的常规的激光,白光激光具有超连续、超宽带、完全相干的特性,使得其可以在普通激光力所不能及的众多领域上发挥重要的不可替代的作用。这方面的应用聚焦于国内外众多的研究型大学和科研机构,经济效益和社会效益十分可观。

(1)高精度光谱学:原子、小分子、生物大分子、固体和液体材料等,有丰富多彩、多元化的能级,反映了电子运动、原子振动、分子转动等物质运动形态,它们的能量尺度千差万别,大至几个电子伏特,小至几个毫电子伏特,对应的激光波长为紫外至远红外波段。经常采用各种激光光谱学手段和技术(如荧光光谱、拉曼光谱、光致发光光谱、红外光谱、非线性光谱等)来探测这些物质运动的形态。白光激光中心波长可处在紫外、可见、近红外和中远红外的不同可以在多个波段,并各自覆盖一个宽广的超连续的波段, 因此,可以利用各白光激光来实现对物质的微观物理和化学过程以及材料物性的多模态探测,获得各加丰富多样的信息,从而对微观运动状态有各加深入细致的了解和理解。

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