白光激光的優(yōu)點及在多領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

現(xiàn)存的技術(shù)一直有一個短板，就是只能發(fā)出單一波長或者窄頻帶的光。如何將激光的頻率擴展形成超寬帶、超連續(xù)，涵蓋紫外、可見和紅外波段的相干白光激光，仍然是人類尚未實現(xiàn)的夢想，是個世界范圍內(nèi)的科技難題。這是由于由光學諧振腔、增益介質(zhì)和泵浦源構(gòu)成。激光器波長是由增益物質(zhì)中原子、分子或者離子的能級結(jié)構(gòu)決定的，由于自然界材料在增益頻率范圍和增益帶寬有很大的局限性，激光器不能產(chǎn)生任意波長的激光。

到底會不會創(chuàng)造出這種完美的白激光？它的出現(xiàn)又能給激光的應(yīng)用帶來哪些變革和發(fā)展呢？

一、太陽光

眾所周知，萬物生長靠太陽，太陽光為地球帶來光和熱。人們所熟悉的太陽光是一種白光，其頻譜涵蓋了紫外-可見-近紅外-中紅外波段，如圖1所示，在可見光波段（400-700nm）輻射能量最強，涵蓋了紅橙黃綠青藍紫七種顏色，而且在光譜上連續(xù)分布和過渡。因為太陽光是白光，所以在雨后的天空經(jīng)常會看到彩虹，或者太陽光通過一個玻璃三棱鏡會出現(xiàn)七種顏色的光帶(圖2)，這是人們?nèi)粘Ｉ钪械钠毡榻?jīng)驗。

人們不那么熟悉的一件事是，太陽光是一種完全非相干光。體現(xiàn)在空間相干性方面，太陽光不能準直，高度發(fā)散，在時間相干性方面，太陽光不同顏色之間沒有任何的相位關(guān)聯(lián)和鎖定。因此太陽光只能用來產(chǎn)生能量，應(yīng)用于取暖、熱水器、太陽能電池等方面。但是，太陽光用來傳遞信息等現(xiàn)代科學技術(shù)的應(yīng)用，就顯得力不從心。

圖1. 太陽光光譜分布圖。包括太陽自身的黑體輻射光譜圖、入射到地球的太陽光光譜圖、由于大氣水分及二氧化碳的吸收而到達海平面的太陽光光譜圖。

圖2. 太陽光通過玻璃三棱鏡后，形成紅橙黃綠青藍紫七種顏色的連續(xù)分布和過渡的彩色光帶，表明太陽光是一種白光。

二、激光

激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點，其綜合性能遠超過傳統(tǒng)的太陽光、白熾燈、日光燈、LED燈等光源，是人類利用光的信息和能量的革命性方式。自1960年梅曼發(fā)明第一臺激光器(紅寶石激光器)以來，在過去50年中，激光技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，取得了偉大的成就，在人類社會的多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的應(yīng)用作用。激光技術(shù)的發(fā)展日新月異，從早期的氣體激光器(氦氖激光器)，高功率二氧化碳激光器，，可調(diào)諧染料激光器，，納秒和皮秒，到近期的和飛秒脈沖激光器，激光器家族成員越來越多，各方面的性能（光束質(zhì)量、模式形態(tài)多樣性、脈沖寬度、峰值功率、平均功率、空間相干性、時間相干性等）不斷提升。激光技術(shù)的應(yīng)用范圍也是越來越廣闊，已經(jīng)成為科學研究、國防軍事、照明、光纖通信、信息傳感、存儲和顯示、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學、環(huán)境檢測等方面不可或缺的工具，而且極大地推動著這些應(yīng)用不斷走向新的水平和臺階。

但是，現(xiàn)存的激光技術(shù)一直有一個短板，就是只能發(fā)出單一波長或者窄頻帶的光。如何將激光的頻率擴展形成超寬帶、超連續(xù)，涵蓋紫外、可見和紅外波段的相干白光激光，仍然是人類尚未實現(xiàn)的夢想，是個世界范圍內(nèi)的科技難題。這是由于激光器由光學諧振腔、增益介質(zhì)和泵浦源構(gòu)成。激光器波長是由增益物質(zhì)中原子、分子或者離子的能級結(jié)構(gòu)決定的，由于自然界激光晶體材料在增益頻率范圍和增益帶寬有很大的局限性，激光器不能產(chǎn)生任意波長的激光。

1961年發(fā)明的非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)（倍頻、和頻、差頻、參量放大等）能將一個品質(zhì)優(yōu)良的激光器的某一個固定波長的激光輸出，通過非線性晶體材料轉(zhuǎn)換到很難或根本不可能直接得到的波長區(qū)間，因此，非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)是拓寬激光輸出波長的重要手段，而非線性晶體材料是該技術(shù)的基礎(chǔ)。非線性頻率轉(zhuǎn)換要求相位匹配，在相位匹配的條件下，非線性過程可以獲得最大轉(zhuǎn)換效率。雙折射匹配和準相位匹配是兩種常用的相位匹配技術(shù)，適用于不同的激光系統(tǒng)。但是，由于目前所有的非線性晶體的色散效應(yīng)，非線性過程中的相位匹配通常不能得到自動滿足，在雙折射匹配和準相位匹配技術(shù)下，非線性晶體材料的頻率轉(zhuǎn)換范圍及帶寬依然存在很大的局限性。事實上，目前已有的激光器系統(tǒng)所產(chǎn)生的激光遠遠不能涵蓋所有的波段，很多重要的波長處并沒有相應(yīng)的激光器。另外，激光器的帶寬也是有限的，最好的鈦寶石器也只能覆蓋300nm的范圍，且其中心波長在800nm。自激光發(fā)明和非線性光學誕生50年以來，沒有任何方案可以產(chǎn)生真正意義上的白光激光。

當今時代，各個發(fā)達國家都將非線性光學晶體、器件及應(yīng)用放在優(yōu)先發(fā)展的位置，并作為一項重要戰(zhàn)略措施列入各自的高技術(shù)發(fā)展計劃中，給予高度重視和支持。就非線性光學晶體、器件及應(yīng)用整個領(lǐng)域的科技水平來看，發(fā)達國家如美國、英國、德國、日本等居于世界前列，從最初的原理提出、新材料的探索、器件的開發(fā)、整機設(shè)備等，他們都作出了重要的貢獻。作為產(chǎn)業(yè)大國，在大規(guī)模生產(chǎn)的非線性光學晶體如LiNbO3等占有壟斷地位。在器件制造方面，由于整體技術(shù)力量強，工業(yè)基礎(chǔ)好，美、歐等發(fā)達國家占有決定性的優(yōu)勢地位。

我國在非線性光學晶體領(lǐng)域占有重要的地位，多種非線性光學晶體的生長技術(shù)居國際先進水平，國外已有的所有晶體生長方法我國都有，幾乎所有重要的非線性光學晶體都已生長出來，一些重要晶體滿足了國內(nèi)重大工程需求，一批高技術(shù)晶體已成為商品。《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中明確將“激光技術(shù)“列為八大前沿技術(shù)之一，本項目面向《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中的“激光技術(shù)”、“新材料技術(shù)”前沿技術(shù)，“凝聚態(tài)物質(zhì)與新效應(yīng)”科學前沿問題，因應(yīng)國家科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略要求。

如果能夠利用非線性光學晶體材料中的各種非線性光學效應(yīng)，成功地將激光的窗口擴大到紫外、可見、紅外等范圍，而且光譜連續(xù)分布，就如圖1所示，就產(chǎn)生了所謂的白光激光或者太陽激光。這樣的一種嶄新的技術(shù)無疑將極大地提升激光技術(shù)的發(fā)展水平，極大地擴大激光器家族的成員規(guī)模，極大地提升激光技術(shù)現(xiàn)有應(yīng)用的水平，并誕生眾多前所未有的嶄新應(yīng)用。因此，這樣的技術(shù)將有著巨大的應(yīng)用價值，其涵蓋的全鏈條領(lǐng)域是個數(shù)以萬億計的空白市場。

三、白光激光的優(yōu)點及應(yīng)用前景

白光、短波激光光源和超連續(xù)激光光源相比于普通的白光光源(如太陽光、白熾燈、白光LED燈等)，具有亮度高、峰值功率強、頻率覆蓋范圍廣等優(yōu)點，在科學研究、國防軍事、照明、通信技術(shù)、信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學、環(huán)境檢測等領(lǐng)域有廣泛的實際應(yīng)用價值，獲得了強烈的關(guān)注。

白光激光作為一種嶄新的激光光源，具有方向性好、能量密度高、超連續(xù)的光譜、極大的帶寬、靈活多樣的中心波長、高度的時間和空間相干性等多種多樣的優(yōu)點，將極大地拓展激光技術(shù)的功能和應(yīng)用范圍。白光激光或者太陽激光是時空完全相干的光，不僅激光光束高度準直，不發(fā)散，而且能夠聚焦到極小的區(qū)域；不同顏色之間振幅和相位完全鎖定，通過調(diào)控這些振幅和相位，可以隨心所欲地改變激光的時間脈沖形狀，產(chǎn)生脈寬極短（飛秒及亞飛秒）的。這樣的太陽激光將有可能實現(xiàn)光的能量在時空上的聚焦和匯聚雙重效應(yīng)，在微小區(qū)域和極短時間內(nèi)上釋放出能量，從而形成極高的瞬時功率密度。

作為一種全新的激光光源，白光激光的應(yīng)用涵蓋基礎(chǔ)科學研究、通訊信息、工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、生物醫(yī)學和環(huán)境檢測等。簡單的介紹如下：

1、物理、化學和材料科學基礎(chǔ)研究

激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用在基礎(chǔ)科學研究上，包括物理、化學和材料科學的許多領(lǐng)域，都需要通過激光和物質(zhì)的相互作用，來獲得微觀世界物質(zhì)的信息，從而了解原子、分子和固體、液體等材料的物質(zhì)狀態(tài)和屬性，從而為達到認識微觀世界并予以應(yīng)用的目標。不同于現(xiàn)有的常規(guī)的激光，白光激光具有超連續(xù)、超寬帶、完全相干的特性，使得其可以在普通激光力所不能及的眾多領(lǐng)域上發(fā)揮重要的不可替代的作用。這方面的應(yīng)用聚焦于國內(nèi)外眾多的研究型大學和科研機構(gòu)，經(jīng)濟效益和社會效益十分可觀。

（1）高精度光譜學：原子、小分子、生物大分子、固體和液體材料等，有豐富多彩、多元化的能級，反映了電子運動、原子振動、分子轉(zhuǎn)動等物質(zhì)運動形態(tài)，它們的能量尺度千差萬別，大至幾個電子伏特，小至幾個毫電子伏特，對應(yīng)的激光波長為紫外至遠紅外波段。經(jīng)常采用各種激光光譜學手段和技術(shù)（如熒光光譜、拉曼光譜、光致發(fā)光光譜、紅外光譜、非線性光譜等）來探測這些物質(zhì)運動的形態(tài)。白光激光中心波長可處在紫外、可見、近紅外和中遠紅外的不同可以在多個波段，并各自覆蓋一個寬廣的超連續(xù)的波段， 因此，可以利用各白光激光來實現(xiàn)對物質(zhì)的微觀物理和化學過程以及材料物性的多模態(tài)探測，獲得各加豐富多樣的信息，從而對微觀運動狀態(tài)有各加深入細致的了解和理解。

（2）化學分子反應(yīng)動力學：化學分子的反應(yīng)動力學過程的時間尺度從幾個皮秒一直到幾個飛秒的廣闊范圍。白光的頻譜范圍遠超過一般的鈦寶石飛秒脈沖激光，這些相干的光譜成分經(jīng)過相干合成技術(shù)可產(chǎn)生短至一個飛秒左右的，當然也可以產(chǎn)生長至皮秒甚至納秒的激光脈沖。因此由白光激光衍生而出的超短脈沖激光可應(yīng)用于探測化學分子的反應(yīng)動力學精細的信息。更為重要的是，白光激光的中心波長可以調(diào)節(jié)，意味著超短脈沖激光的中心波長也是可以調(diào)節(jié)的。因此可以針對特定化學分子的敏感波段，選擇合適的超短脈沖激光，來進行探測和觀察。

（3）多量子態(tài)調(diào)控：原子或者分子通常由許多微觀運動狀態(tài)，對應(yīng)于許多能級。電子在這些能級之間可以通過量子躍遷來改變狀態(tài)。每個量子躍遷需要某個頻率的激光去驅(qū)動，同時驅(qū)動多個量子躍遷需要多個頻率的激光同時去驅(qū)動。為了不擾亂量子躍遷之間的相位，實現(xiàn)相干的多量子態(tài)調(diào)控，要求多路激光之間的相位必須鎖定。因此，普通的多束不同波長的激光方案或者鈦寶石超短脈沖激光方案無能為力。而本項目擬研制的白光激光可以勝任這個難題。而且，由于其中心頻率和光譜帶寬都可以調(diào)節(jié)，有望適用于廣泛的原子、分子和量子材料（量子態(tài)躍遷途徑的數(shù)量、躍遷能級分布以及躍遷波段）的多量子態(tài)調(diào)控。

2、生物醫(yī)學應(yīng)用:

和普通激光一樣，白光激光也可以應(yīng)用于生命科學的研究和生物醫(yī)學診斷及治療。比如作為精密光譜學、超快動力學探測、共聚焦顯微分析、流式細胞儀等技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)大分子生理功能的研究，利用光學相干層析技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)、非線性光譜技術(shù)作為生物醫(yī)學的疾病診斷工具；也可作為越來越流行的工具應(yīng)用于、激光醫(yī)學、光熱治療等。作為超連續(xù)、超寬帶、中心波長可調(diào)的白光激光在不少領(lǐng)域有獨特的優(yōu)勢。

（1）多模態(tài)生物成像和分析: 由于人體細胞、組織和器官對光的響應(yīng)復(fù)雜多樣，其敏感波段也多種多樣，因此特別需要波長可變、超連續(xù)、超寬帶、高功率的激光作為工具，利用光學相干層析技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)、非線性光譜技術(shù)等探測手段，來與人體疾病區(qū)域的組織和器官相互作用，獲得各種各樣的信息，從而得到多模態(tài)生物成像的目的。這對疾病的快速診斷和分析將提供極為便利可靠的技術(shù)手段。

（2）激光美容：激光美容利用激光與人體臉部等表皮組織相互作用，通過光熱效應(yīng)、光電效應(yīng)、光化學反應(yīng)等物理和化學過程實現(xiàn)對表皮冗余和病變組織的清理和去除。由于表皮組織的復(fù)雜多樣性，需要多種波長的高功率激光選擇性或者協(xié)同作用。因此，白光激光將發(fā)揮傳統(tǒng)激光所不能做到的功能和效果。這方面的應(yīng)用將走進老百姓的日常生活，使得白光激光這一新技術(shù)更多地位老百姓所了解、理解和認同。具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

3、大氣和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用:

隨著中國許多區(qū)域（如華北地區(qū)）的大氣、水、土壤等環(huán)境要素日益受到污染而不斷退化，給廣大人民群眾的生活和生產(chǎn)帶來了巨大的負面影響，比如，華北和江淮廣大地區(qū)的霧霾逐漸成為常態(tài)化的事物，環(huán)保的問題日益突出，理念日益深入人心。國家和社會對環(huán)保的投入越來越多，因此日益需要越來越強大的環(huán)境檢測技術(shù)和手段。激光技術(shù)作為光譜分析的核心組成部分，已經(jīng)在大氣遙感和環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，已經(jīng)有等產(chǎn)品提供給環(huán)保部門。激光應(yīng)用于環(huán)境檢測的基本科學原理是和大氣相互作用，激光將和大氣中的各種物質(zhì)成分（O2,N2,H2O、NO2, H2S, SO2, CO, CO2等）發(fā)生復(fù)雜的物理和化學作用，產(chǎn)生的彈性（瑞利散射）和非彈性散射（熒光、拉曼、布里淵散射）的信號光將攜帶這些物質(zhì)成分的內(nèi)部量子態(tài)和化學結(jié)構(gòu)信息，通過收集這些光學信息，可獲得它們的組分分布和豐都的信息，幫助環(huán)保部門掌握深入而詳細的大氣成分信息，給出相應(yīng)的對策。普通的激光雷達使用單色激光作為探測源，只能和特定的大氣分子發(fā)生強烈的散射作用，而超連續(xù)、超寬帶、高峰值功率的白光激光將可以同時和多種大氣分子相互作用，一次性產(chǎn)生的光散射信息將極端豐富，因此將能夠極大地提升激光雷達監(jiān)測大氣質(zhì)量的功能。

4、工業(yè)應(yīng)用：

激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于（切割、焊接、制造和、打標）、信息技術(shù)（激光防偽、全息信息存儲、激光彩色顯示、、激光投影儀）、傳感和檢測、通訊（光纖通訊、自由空間光通訊、可見光通訊）等。白光激光作為一種新的產(chǎn)品，將有它獨一無二的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）彩色全息：術(shù)是一種應(yīng)用十分廣泛的紀錄和再現(xiàn)物體形貌信息的技術(shù)，其原理是利用激光的干涉效應(yīng)（參考激光光和物體反射激光的干涉），原則上可紀錄物體的所有信息（視覺明暗信息（即反射振幅信息）和相位信息）。典型的應(yīng)用是激光防偽和激光掃描儀（超聲使用的條形碼），普通的全息片使用單色激光產(chǎn)生全息條紋，如果能夠使用彩色激光或者白光激光產(chǎn)生全息干涉條紋，原則上不僅能夠反映出物體的輪廓信息，而且能夠反映出色彩信息。這是一種真正的物體全方位信息紀錄和再現(xiàn)的技術(shù)。該技術(shù)不僅大大提高了全息片所蘊含的信息量，提高激光防偽的可靠性，增加信息被破解的難度，而且能真實地再現(xiàn)物體的三維信息及彩色信息。

（2）3D顯示和虛擬現(xiàn)實技術(shù)：利用白光激光可實現(xiàn)彩色全息，實現(xiàn)物體3D信息的記錄和再現(xiàn)。因此，有望應(yīng)用于當今社會廣泛關(guān)注卻因為技術(shù)困難而遲遲沒有進展的3D顯示和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。實際操作上，可參考電影工業(yè)的技術(shù)，將運動物體的圖像和信息記錄在膠卷上，按照每秒鐘16幀額速度記錄，并按照相同的速度播放，就可以簡單地實現(xiàn)拍電影和放電影兩個過程。彩色全息3D顯示也是一樣的道理，只不過物體的3D圖像(彩色及輪廓信息)存儲在彩色全息片上，每秒16幀，然后利用白光激光照明彩色全息片，每秒16幀，就可以播放出具有完全真實的3D彩色效果的圖像來。將這樣的技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)及增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，有望真實彩色的3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

5、國防和軍事應(yīng)用：

激光既是信息的載體，也是能量的載體。兩方面的特性都可以在國防和軍事領(lǐng)域找到眾多的應(yīng)用。作為能量的載體，激光可以應(yīng)用于制造主動式紅外成像和夜視儀，也可以作為高定向能量的應(yīng)用于激光對抗。另外還可以利用光電效應(yīng)的原理，采用中小能量的激光對敵方的衛(wèi)星、導彈、飛機等飛行物的光學敏感部件產(chǎn)生激光損傷和破壞，從而實現(xiàn)摧毀敵方軍事目標的目的。在這方面，超連續(xù)、超寬帶、高功率的白光激光有獨特的優(yōu)勢，因為其光電效應(yīng)的頻率窗口巨大，很容易對多種光學敏感器件（通常一種光學器件有一個敏感波長）進行物理和化學反應(yīng)。另外，白光激光峰值功率巨大，當和光學敏感器件發(fā)生共振相互作用時，將產(chǎn)生巨大的破壞效果。這個技術(shù)尤其適用于對敵方衛(wèi)星進行干擾和破壞。

作為信息的載體，激光可應(yīng)用于自由空間的通訊，特別適用于光纖通信所不能觸及的區(qū)域，如太空和海洋內(nèi)部。由于白光激光擁有寬廣的波段，作為通訊工具其蘊含的信息量可遠大于普通的單色激光，所以，特別適用于海洋內(nèi)部潛艇之間的自由空間激光通訊。

四、白光激光的發(fā)明

2015年李志遠教授帶領(lǐng)“晶之彩”科研團隊，發(fā)明了一條原創(chuàng)性的科學思路和技術(shù)方案。利用中紅外的寬帶飛秒脈沖激光泵浦單塊啁啾結(jié)構(gòu)鈮酸鋰非線性超晶格光子晶體---白光（如圖3所示），可以產(chǎn)生高性能的白光激光。白光激光晶體材料具有多個超寬帶倒格矢分布的特點，可實現(xiàn)多波段超寬帶準相位匹配的問題。利用單塊準相位匹配非線性晶體和中紅外超寬帶飛秒脈沖激光相互作用，在單塊晶體中實現(xiàn)了二到八次諧波的同時產(chǎn)生，進而產(chǎn)生超連續(xù)的相干白光激光。其波長涵蓋紫外、可見和近紅外波段，能量轉(zhuǎn)換效率超過18%。該白光激光晶體，完全是全球首創(chuàng)的超材料晶體，它的出現(xiàn)改變了以往只能轉(zhuǎn)換單一頻率或者有限幾個頻率的晶體限制，同時針對多個領(lǐng)域大大地拓展了激光的應(yīng)用范圍，是具有革命性意義的新材料，白光激光的發(fā)明，填補了非線性光學和激光技術(shù)的空白。白光激光的發(fā)明及研究成果發(fā)表在國際光學和物理學權(quán)威期刊上，并申請了中國國家發(fā)明專利。由于顯著的原創(chuàng)性而入選2015年度“中國光學重要成果”。

由于剛剛將可產(chǎn)生白的非線性晶體的科技成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品，晶之彩團隊尚處起步階段，資金和人才困擾并阻礙了白激光的快速推廣和應(yīng)用；但是這些都無法阻撓晶之彩科技人員研發(fā)白激光發(fā)生器的目標和決心。

相信不久的將來，在李志遠教授帶領(lǐng)下的晶之彩團隊一定會給全球激光界再一個驚喜，世界上第一臺真正意義上的白激光發(fā)生器誕生，為世界奉獻完美的新型――－白激光！

圖3. 鈮酸鋰白光的封裝實物圖

一個高質(zhì)量白光晶體樣品輸出光束的形態(tài)保持了泵浦光的形狀，為圓形的高斯光束。光束的顏色照片如圖4所示，為理想的白光。該白光光束經(jīng)過光柵分光后，形成鮮艷的彩色條帶，如圖5所示，從右到左依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。表明白光激光晶體輸出的激光為高性能的完全相干的超連續(xù)白光激光。另外，該光束保留了泵浦激光光束的優(yōu)秀的時間和空間相干性。

圖4. 啁啾鈮酸鋰非線性光子晶體輸出的白色激光光束的照相機拍照圖

圖5. 白色激光光束經(jīng)過光柵分光后的彩色條帶分布的照相機拍照圖