科學(xué)家之前已創(chuàng)造出紅色、藍(lán)色、綠色以及其它可見顏色的激光，但同時發(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。論文中寫道，“盡管過去的研究已經(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)造一個能夠同時發(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)合到一個芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個挨一個的放在一塊會導(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)這句話也說明了這個“White Laser”的根本原理，簡單來說就是克服了這個困難，把幾個不同的晶體融合到了一個薄片上，用這個薄片作為工作物質(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的激光了。真正的難點(diǎn)，說的很明確，并不是白色激光如何而來，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)放在一塊作為整個激光器的工作物質(zhì)），而這個實(shí)現(xiàn)過程異常的艱難，也就是說，把這三種工作物質(zhì)疊加到一個芯片上非常的困難。
下面再來看看到底該怎么理解這個所謂的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，來源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大）的縮寫，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)光的過程必須經(jīng)過兩個階段－－自發(fā)輻射和受激吸收。當(dāng)原子受到外來能量，比如光能、電能等，處于低能級的電子會吸收能量從而躍遷到高能級，這就是受激吸收過程。電子躍遷到高能級后，由于能量高不穩(wěn)定，它們只能停留極為短暫的時間，大概在10＾－9s數(shù)量級，就會又向低能級躍遷。此時的躍遷過程有兩種，一種是自發(fā)進(jìn)行的，叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會造成兩個結(jié)果，一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子，這種形式不會發(fā)出光，叫做無輻射躍遷；另一種會輻射出一個光子，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。受激輻射也會向外輻射出光子，但與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射會輻射出兩個光子，這兩個光子，一個是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子，另一個是電子從高能級躍遷到低能級釋放出的光子。很不幸，這兩個光子簡直就是一模一樣，而激發(fā)出的這兩個光子又作為誘導(dǎo)條件，去激發(fā)別的處于高能級正準(zhǔn)備向低能級的粒子，這樣又得到4個一模一樣的光子，接著4個變8個……激光便產(chǎn)生了。（其實(shí)激光產(chǎn)生的過程十分復(fù)雜，有很多必要條件，比如需要通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等，這里只是簡述）簡單來說，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。
從這個過程，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，波長很穩(wěn)定。單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出波長λ＝632．8nm，而譜線半寬度Δλ可以低于10＾－12μm，也就是說其單色性可以達(dá)Δλ／λ＝10＾－10～10＾－13量級。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，請自行體會。其次我們應(yīng)該知道什么是白光？ 通俗來講，把可見光波范圍內(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]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)際上從根本原理來看，它產(chǎn)生的依然是單色性很高的激光，只是把三種波長的光疊加起來了，合成了“白光”。
總體來看，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)融合在一個小晶片上（納米量級的厚度），使得受激輻射產(chǎn)生出的光子就會有三種不同的能量，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。而這三種波長的光通過相互疊加能產(chǎn)生任何可見光波段的光，因此便構(gòu)成了“White Laser”。這聽起來so easy，但正如文章里所說，將不同的工作物質(zhì)融合在一起本就是一個異常艱難的工作，再加上融合在一起后會有一些致命的缺陷，導(dǎo)致這件聽起來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。論文中寫道，“盡管過去的研究已經(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)造一個能夠同時發(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)合到一個芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個挨一個的放在一塊會導(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)這句話也說明了這個“White Laser”的根本原理，簡單來說就是克服了這個困難，把幾個不同的晶體融合到了一個薄片上，用這個薄片作為工作物質(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的激光了。真正的難點(diǎn)，說的很明確，并不是白色激光如何而來，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)放在一塊作為整個激光器的工作物質(zhì)），而這個實(shí)現(xiàn)過程異常的艱難，也就是說，把這三種工作物質(zhì)疊加到一個芯片上非常的困難。
下面再來看看到底該怎么理解這個所謂的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，來源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大）的縮寫，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)光的過程必須經(jīng)過兩個階段－－自發(fā)輻射和受激吸收。當(dāng)原子受到外來能量，比如光能、電能等，處于低能級的電子會吸收能量從而躍遷到高能級，這就是受激吸收過程。電子躍遷到高能級后，由于能量高不穩(wěn)定，它們只能停留極為短暫的時間，大概在10＾－9s數(shù)量級，就會又向低能級躍遷。此時的躍遷過程有兩種，一種是自發(fā)進(jìn)行的，叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會造成兩個結(jié)果，一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子，這種形式不會發(fā)出光，叫做無輻射躍遷；另一種會輻射出一個光子，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。受激輻射也會向外輻射出光子，但與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射會輻射出兩個光子，這兩個光子，一個是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子，另一個是電子從高能級躍遷到低能級釋放出的光子。很不幸，這兩個光子簡直就是一模一樣，而激發(fā)出的這兩個光子又作為誘導(dǎo)條件，去激發(fā)別的處于高能級正準(zhǔn)備向低能級的粒子，這樣又得到4個一模一樣的光子，接著4個變8個……激光便產(chǎn)生了。（其實(shí)激光產(chǎn)生的過程十分復(fù)雜，有很多必要條件，比如需要通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等，這里只是簡述）簡單來說，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。
從這個過程，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，波長很穩(wěn)定。單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出波長λ＝632．8nm，而譜線半寬度Δλ可以低于10＾－12μm，也就是說其單色性可以達(dá)Δλ／λ＝10＾－10～10＾－13量級。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，請自行體會。其次我們應(yīng)該知道什么是白光？ 通俗來講，把可見光波范圍內(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]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)際上從根本原理來看，它產(chǎn)生的依然是單色性很高的激光，只是把三種波長的光疊加起來了，合成了“白光”。
總體來看，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)融合在一個小晶片上（納米量級的厚度），使得受激輻射產(chǎn)生出的光子就會有三種不同的能量，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。而這三種波長的光通過相互疊加能產(chǎn)生任何可見光波段的光，因此便構(gòu)成了“White Laser”。這聽起來so easy，但正如文章里所說，將不同的工作物質(zhì)融合在一起本就是一個異常艱難的工作，再加上融合在一起后會有一些致命的缺陷，導(dǎo)致這件聽起來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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