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科學(xué)家之前已創(chuàng)造出紅色、藍(lán)色、綠色以及其它可見(jiàn)顏色的激光，但同時(shí)發(fā)射出紅色、藍(lán)色、綠色的激光被證明難度很大，因?yàn)樾枰M合差異巨大的半導(dǎo)體組件。
亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師首次創(chuàng)造出白色激光后，論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上。論文中寫(xiě)道，“盡管過(guò)去的研究已經(jīng)創(chuàng)造了紅色，藍(lán)色，綠色以及其他波段的激光器，但通常每一種激光器都只發(fā)射一種顏色的光。創(chuàng)造一個(gè)能夠同時(shí)發(fā)射紅色、綠色和藍(lán)色的整體裝置是十分困難的，因?yàn)檫@要求把各種不同的半導(dǎo)體結(jié)合到一個(gè)芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個(gè)挨一個(gè)的放在一塊會(huì)導(dǎo)致一些致命的缺陷。”
這句話已經(jīng)很清楚的解釋了為什么其所謂的“White Laser”是非常難以被創(chuàng)造的。其實(shí)這句話也說(shuō)明了這個(gè)“White Laser”的根本原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是克服了這個(gè)困難，把幾個(gè)不同的晶體融合到了一個(gè)薄片上，用這個(gè)薄片作為工作物質(zhì)去獲得紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，當(dāng)然也就可以獲得各種波長(zhǎng)的激光了。真正的難點(diǎn)，說(shuō)的很明確，并不是白色激光如何而來(lái)，而是我們知道白色激光怎么創(chuàng)造（用紅綠藍(lán)三原色去疊加），而且知道怎么實(shí)現(xiàn)（把三種工作物質(zhì)放在一塊作為整個(gè)激光器的工作物質(zhì)），而這個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程異常的艱難，也就是說(shuō)，把這三種工作物質(zhì)疊加到一個(gè)芯片上非常的困難。
下面再來(lái)看看到底該怎么理解這個(gè)所謂的White Laser。
首先我們需要了解到底什么是激光，激光是怎么產(chǎn)生的。Laser，來(lái)源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大）的縮寫(xiě)，laser我們可以理解為激光，也可以理解為激光器。激光器主要是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成的，這也是激光產(chǎn)生的必備條件。
那么激光是如何產(chǎn)生的？我們知道，在自然界中，任何發(fā)光的過(guò)程必須經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段－－自發(fā)輻射和受激吸收。當(dāng)原子受到外來(lái)能量，比如光能、電能等，處于低能級(jí)的電子會(huì)吸收能量從而躍遷到高能級(jí)，這就是受激吸收過(guò)程。電子躍遷到高能級(jí)后，由于能量高不穩(wěn)定，它們只能停留極為短暫的時(shí)間，大概在10＾－9s數(shù)量級(jí)，就會(huì)又向低能級(jí)躍遷。此時(shí)的躍遷過(guò)程有兩種，一種是自發(fā)進(jìn)行的，叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會(huì)造成兩個(gè)結(jié)果，一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子，這種形式不會(huì)發(fā)出光，叫做無(wú)輻射躍遷；另一種會(huì)輻射出一個(gè)光子，光子頻率由能極間能量差決定，這便產(chǎn)生了光。普通的光源基本是由受激吸收和自發(fā)輻射產(chǎn)生的，光源源源不斷的接受外界的能量，再源源不斷輻射出光子，因此光源便發(fā)出了光。另一種是在外界因素的誘導(dǎo)下進(jìn)行，叫做受激輻射。受激輻射也會(huì)向外輻射出光子，但與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射會(huì)輻射出兩個(gè)光子，這兩個(gè)光子，一個(gè)是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子，另一個(gè)是電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)釋放出的光子。很不幸，這兩個(gè)光子簡(jiǎn)直就是一模一樣，而激發(fā)出的這兩個(gè)光子又作為誘導(dǎo)條件，去激發(fā)別的處于高能級(jí)正準(zhǔn)備向低能級(jí)的粒子，這樣又得到4個(gè)一模一樣的光子，接著4個(gè)變8個(gè)……激光便產(chǎn)生了。（其實(shí)激光產(chǎn)生的過(guò)程十分復(fù)雜，有很多必要條件，比如需要通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來(lái)克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等，這里只是簡(jiǎn)述）簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是泵浦源引發(fā)工作物質(zhì)中的粒子在諧振腔里不停地進(jìn)行受激輻射，從而使光子累積，發(fā)射出激光。
從這個(gè)過(guò)程，我們可以很顯然的看出激光的特性。因?yàn)槭芗ぽ椛涑龅墓庾佣际菐缀跻荒Ｒ粯樱l率、傳播方向、振動(dòng)方向等）的，因此激光的相干性和單色性非常好。高相干性這里我們不討論，單色性非常好，換句話說(shuō)，波長(zhǎng)很穩(wěn)定。單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)λ＝632．8nm，而譜線半寬度Δλ可以低于10＾－12μm，也就是說(shuō)其單色性可以達(dá)Δλ／λ＝10＾－10～10＾－13量級(jí)。這是什么概念？普通光源單色性最好的氪同位素86燈發(fā)出λ＝605．7nm的光，其譜線半寬度Δλ＝0．47＊10＾－6μm，單色性Δλ／λ＝10＾－6量級(jí)，請(qǐng)自行體會(huì)。其次我們應(yīng)該知道什么是白光？ 通俗來(lái)講，把可見(jiàn)光波范圍內(nèi)的所有光波連續(xù)疊加在一起就構(gòu)成了白光。
從這個(gè)角度，這篇Nature Nanotechnology所闡述的＂White Laser＂并不是嚴(yán)格意義上的白光激光器，因?yàn)樗](méi)有直接發(fā)出白光，而是是由紅、綠、藍(lán)三種顏色的光合成的白光，我們可以把它理解為廣義的白光激光器。實(shí)際上從根本原理來(lái)看，它產(chǎn)生的依然是單色性很高的激光，只是把三種波長(zhǎng)的光疊加起來(lái)了，合成了“白光”。
總體來(lái)看，這篇Nature Nanotechnology的文章所提出思路的難點(diǎn)是如何克服種種困難將三種不同種類的半導(dǎo)體工作物質(zhì)融合在一個(gè)小晶片上（納米量級(jí)的厚度），使得受激輻射產(chǎn)生出的光子就會(huì)有三種不同的能量，也就有三種不同的頻率，輻射出的光波便擁有了三種不同的波長(zhǎng)。而這三種波長(zhǎng)的光通過(guò)相互疊加能產(chǎn)生任何可見(jiàn)光波段的光，因此便構(gòu)成了“White Laser”。這聽(tīng)起來(lái)so easy，但正如文章里所說(shuō)，將不同的工作物質(zhì)融合在一起本就是一個(gè)異常艱難的工作，再加上融合在一起后會(huì)有一些致命的缺陷，導(dǎo)致這件聽(tīng)起來(lái)很容易的事情一直到激光發(fā)明后55年才有人成功實(shí)現(xiàn)，這足以證明了這件事情的難度。
亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師首次創(chuàng)造出白色激光后，論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上。論文中寫(xiě)道，“盡管過(guò)去的研究已經(jīng)創(chuàng)造了紅色，藍(lán)色，綠色以及其他波段的激光器，但通常每一種激光器都只發(fā)射一種顏色的光。創(chuàng)造一個(gè)能夠同時(shí)發(fā)射紅色、綠色和藍(lán)色的整體裝置是十分困難的，因?yàn)檫@要求把各種不同的半導(dǎo)體結(jié)合到一個(gè)芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個(gè)挨一個(gè)的放在一塊會(huì)導(dǎo)致一些致命的缺陷。”
這句話已經(jīng)很清楚的解釋了為什么其所謂的“White Laser”是非常難以被創(chuàng)造的。其實(shí)這句話也說(shuō)明了這個(gè)“White Laser”的根本原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是克服了這個(gè)困難，把幾個(gè)不同的晶體融合到了一個(gè)薄片上，用這個(gè)薄片作為工作物質(zhì)去獲得紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，當(dāng)然也就可以獲得各種波長(zhǎng)的激光了。真正的難點(diǎn)，說(shuō)的很明確，并不是白色激光如何而來(lái)，而是我們知道白色激光怎么創(chuàng)造（用紅綠藍(lán)三原色去疊加），而且知道怎么實(shí)現(xiàn)（把三種工作物質(zhì)放在一塊作為整個(gè)激光器的工作物質(zhì)），而這個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程異常的艱難，也就是說(shuō)，把這三種工作物質(zhì)疊加到一個(gè)芯片上非常的困難。
下面再來(lái)看看到底該怎么理解這個(gè)所謂的White Laser。
首先我們需要了解到底什么是激光，激光是怎么產(chǎn)生的。Laser，來(lái)源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大）的縮寫(xiě)，laser我們可以理解為激光，也可以理解為激光器。激光器主要是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成的，這也是激光產(chǎn)生的必備條件。
那么激光是如何產(chǎn)生的？我們知道，在自然界中，任何發(fā)光的過(guò)程必須經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段－－自發(fā)輻射和受激吸收。當(dāng)原子受到外來(lái)能量，比如光能、電能等，處于低能級(jí)的電子會(huì)吸收能量從而躍遷到高能級(jí)，這就是受激吸收過(guò)程。電子躍遷到高能級(jí)后，由于能量高不穩(wěn)定，它們只能停留極為短暫的時(shí)間，大概在10＾－9s數(shù)量級(jí)，就會(huì)又向低能級(jí)躍遷。此時(shí)的躍遷過(guò)程有兩種，一種是自發(fā)進(jìn)行的，叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會(huì)造成兩個(gè)結(jié)果，一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子，這種形式不會(huì)發(fā)出光，叫做無(wú)輻射躍遷；另一種會(huì)輻射出一個(gè)光子，光子頻率由能極間能量差決定，這便產(chǎn)生了光。普通的光源基本是由受激吸收和自發(fā)輻射產(chǎn)生的，光源源源不斷的接受外界的能量，再源源不斷輻射出光子，因此光源便發(fā)出了光。另一種是在外界因素的誘導(dǎo)下進(jìn)行，叫做受激輻射。受激輻射也會(huì)向外輻射出光子，但與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射會(huì)輻射出兩個(gè)光子，這兩個(gè)光子，一個(gè)是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子，另一個(gè)是電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)釋放出的光子。很不幸，這兩個(gè)光子簡(jiǎn)直就是一模一樣，而激發(fā)出的這兩個(gè)光子又作為誘導(dǎo)條件，去激發(fā)別的處于高能級(jí)正準(zhǔn)備向低能級(jí)的粒子，這樣又得到4個(gè)一模一樣的光子，接著4個(gè)變8個(gè)……激光便產(chǎn)生了。（其實(shí)激光產(chǎn)生的過(guò)程十分復(fù)雜，有很多必要條件，比如需要通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來(lái)克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等，這里只是簡(jiǎn)述）簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是泵浦源引發(fā)工作物質(zhì)中的粒子在諧振腔里不停地進(jìn)行受激輻射，從而使光子累積，發(fā)射出激光。
從這個(gè)過(guò)程，我們可以很顯然的看出激光的特性。因?yàn)槭芗ぽ椛涑龅墓庾佣际菐缀跻荒Ｒ粯樱l率、傳播方向、振動(dòng)方向等）的，因此激光的相干性和單色性非常好。高相干性這里我們不討論，單色性非常好，換句話說(shuō)，波長(zhǎng)很穩(wěn)定。單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)λ＝632．8nm，而譜線半寬度Δλ可以低于10＾－12μm，也就是說(shuō)其單色性可以達(dá)Δλ／λ＝10＾－10～10＾－13量級(jí)。這是什么概念？普通光源單色性最好的氪同位素86燈發(fā)出λ＝605．7nm的光，其譜線半寬度Δλ＝0．47＊10＾－6μm，單色性Δλ／λ＝10＾－6量級(jí)，請(qǐng)自行體會(huì)。其次我們應(yīng)該知道什么是白光？ 通俗來(lái)講，把可見(jiàn)光波范圍內(nèi)的所有光波連續(xù)疊加在一起就構(gòu)成了白光。
從這個(gè)角度，這篇Nature Nanotechnology所闡述的＂White Laser＂并不是嚴(yán)格意義上的白光激光器，因?yàn)樗](méi)有直接發(fā)出白光，而是是由紅、綠、藍(lán)三種顏色的光合成的白光，我們可以把它理解為廣義的白光激光器。實(shí)際上從根本原理來(lái)看，它產(chǎn)生的依然是單色性很高的激光，只是把三種波長(zhǎng)的光疊加起來(lái)了，合成了“白光”。
總體來(lái)看，這篇Nature Nanotechnology的文章所提出思路的難點(diǎn)是如何克服種種困難將三種不同種類的半導(dǎo)體工作物質(zhì)融合在一個(gè)小晶片上（納米量級(jí)的厚度），使得受激輻射產(chǎn)生出的光子就會(huì)有三種不同的能量，也就有三種不同的頻率，輻射出的光波便擁有了三種不同的波長(zhǎng)。而這三種波長(zhǎng)的光通過(guò)相互疊加能產(chǎn)生任何可見(jiàn)光波段的光，因此便構(gòu)成了“White Laser”。這聽(tīng)起來(lái)so easy，但正如文章里所說(shuō)，將不同的工作物質(zhì)融合在一起本就是一個(gè)異常艱難的工作，再加上融合在一起后會(huì)有一些致命的缺陷，導(dǎo)致這件聽(tīng)起來(lái)很容易的事情一直到激光發(fā)明后55年才有人成功實(shí)現(xiàn)，這足以證明了這件事情的難度。
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