白光激光是各國科學(xué)家重點(diǎn)研發(fā)的對象，它不但能拓展激光應(yīng)用新領(lǐng)域，也是誕生新科技的基礎(chǔ)。非線性晶體的研究是白光激光研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，但在研發(fā)過程中，人們往往忽略了輸出的白光激光所應(yīng)具備的激光特性，沒有真正做到“激光進(jìn)，激光出”的效果（指激發(fā)激光通過照射非線性晶體，產(chǎn)生的白激光應(yīng)當(dāng)具備激光的所有特性，是真正的激光。），導(dǎo)致白光激光喪失了激光的許多優(yōu)良特性，阻礙了白光激光的應(yīng)用和發(fā)展歷程。
現(xiàn)在，白光激光已經(jīng)應(yīng)用于部分領(lǐng)域，產(chǎn)生白光激光的方法很多，如何正確理解現(xiàn)在已經(jīng)誕生的白光激光？真正意義上的白光激光該怎樣定義？真正的白光激光是否能夠被創(chuàng)造出來呢？
一）白激光因具備傳統(tǒng)激光所沒有的優(yōu)點(diǎn)，已在很多領(lǐng)域已得到應(yīng)用。白激光產(chǎn)生方式多種多樣，眾多科學(xué)家對白激光技術(shù)的研究一直有著濃厚的興趣。
作為人造光源，激光一直以紅、綠、藍(lán)三基色形態(tài)存在；因其獨(dú)特的“三好一高”（單色性好，相干性好，方向性好，亮度高）特性，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
由于受激光器產(chǎn)生激光的限制，導(dǎo)致了激光單色性好的特性，但這也成為激光在應(yīng)用領(lǐng)域的短板；激光器不能夠產(chǎn)生任一波長的激光，也不能產(chǎn)生超連續(xù)、超寬帶的激光。而在激光應(yīng)用領(lǐng)域，人們對激光的頻率（或波長）有不同的需求，這時(shí)候就要借助非線性晶體的幫助。但很多波段的激光依然不能夠被創(chuàng)造出來。
目前非線性晶體只能產(chǎn)生有限范圍波長的激光。波長范圍窄的激光，相對于超寬譜的白光激光而言，它所能承載的能量和信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者。因此全相干、超連續(xù)、超寬帶、覆蓋太陽光譜的白激光成為各國科學(xué)家的重點(diǎn)研究對象。白激光的研發(fā)，也將給激光的應(yīng)用領(lǐng)域帶來革命性的變革和顛覆。
在現(xiàn)實(shí)生活中，人們對白光激光最直觀的認(rèn)識(shí)是激光顯示技術(shù)和照明技術(shù)，它們都需要應(yīng)用覆蓋可見光譜所有波長的激光――白光激光。除此外，依據(jù)激光光子能夠攜帶能量和信息這一特性，白光激光較波長范圍窄的單色激光更加有優(yōu)勢，可以作為光通訊和高功率切割的替代光源。
2014年，在諾貝爾頒獎(jiǎng)典禮上，藍(lán)光之父，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二說：“未來5-10年，激光照明將取代LED照明。”為此，2016年12月，“中村修二激光照明實(shí)驗(yàn)室”在深圳成立。中村修二――LED照明的創(chuàng)始者，如今他要親手顛覆自己創(chuàng)建的LED照明的帝國。
作為下一代顯示技術(shù)，激光顯示也受到科技界、企業(yè)界共同關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的顯示技術(shù)，激光顯示從高亮度、清晰度、色域、色飽和度、使用壽命等方面都具備領(lǐng)先優(yōu)勢，極具產(chǎn)業(yè)化前景；中國眾多企業(yè)紛紛掀起激光電視熱，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)上市。
從根源看，白光激光光源的研發(fā)和獲取，是白激光應(yīng)用的根本前提。
早在2004年，南京大學(xué)研究小組把雙波長激光技術(shù)和光學(xué)超晶格頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合在一起，首次獲得了530mW的白激光輸出。但獲取方案復(fù)雜，基波源是一臺(tái)雙波長輸出激光器，非線性晶體是一塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格，通過對2條基波紅外譜線進(jìn)行倍頻和三倍頻得到紅綠藍(lán)三基色光，并通過調(diào)節(jié)晶體溫度等參數(shù)來調(diào)節(jié)三色光之間的功率比例，從而獲得白光激光輸出。但這種白光激光獲取不但困難，性能還極其不穩(wěn)定。
無獨(dú)有偶，2011年美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室利用四臺(tái)分立的大型激光器產(chǎn)生出了高質(zhì)量的白光激光。但這些分立的大型激光器并不適合于照明或顯示設(shè)備等實(shí)際應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)又通過研究半導(dǎo)體材料從而實(shí)現(xiàn)了可見激光的調(diào)諧輸出，并可通過調(diào)節(jié)紅綠藍(lán)三基色光的功率比例，復(fù)合成白激光。2015年，他們宣布世界第一臺(tái)白光激光器在美國誕生。
研發(fā)者說：“激光具有較高的單色性，與普通光源相比，激光器發(fā)出的全部光輻射只集中在較窄的頻率范圍內(nèi)。因而按照常理來說，白激光是不可能發(fā)出的。然而，我們通過調(diào)節(jié)紅綠藍(lán)三基色激光的強(qiáng)度比例，使三原色相遇，產(chǎn)生了白激光，使不可能變成了可能?？梢哉f，白激光是整個(gè)可見光譜的復(fù)合光。”由此可見，美國誕生的世界第一臺(tái)白光激光器產(chǎn)生的白激光是基于三基色激光的復(fù)合激光。
目前，產(chǎn)生白激光的方法多種多樣，但究其根源，大多都離不開傳統(tǒng)激光――紅綠藍(lán)三基色激光的身影。
除上述方法外，光子晶體光纖白光激光器也可產(chǎn)生高功率，寬帶，超連續(xù)的白光激光。它產(chǎn)生的白光激光主要應(yīng)用于光電流顯微檢測、納米光子學(xué)、熒光光譜與成像、超分辨成像、光學(xué)相干斷層掃描等眾多領(lǐng)域。
白光激光具有傳統(tǒng)激光所沒有的特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)激光的不足；白光激光光源的研發(fā)能帶來更多領(lǐng)域的變革和發(fā)展，并產(chǎn)生新的科學(xué)領(lǐng)域，以及新的應(yīng)用；因此，它必然成為眾多科學(xué)家追逐研究的對象。
二）美國宣布第一臺(tái)白激光器的誕生后，為什么又沉寂多年而得不到實(shí)際應(yīng)用？光子晶體光纖白激光器為什么沒有廣泛地普及和應(yīng)用？
在解答這些問題答案之前，讓我們再認(rèn)識(shí)一下什么是激光，以及激光器的2塊重要晶體：激光晶體和非線性晶體。
激光是通過受激發(fā)射光擴(kuò)大而產(chǎn)生的，具有良好的單色性、空間相干性和時(shí)間相干性、方向性好，亮度極高。
激光的這四個(gè)特性，表明激光在很大的相干體積內(nèi)具有很高的相干光強(qiáng)。相干性是激光的一個(gè)重要特征。“傳統(tǒng)激光與白激光相比，我們排除單色性（因?yàn)榘坠鉀]有單色性），所有的激光必須具備良好的相干性、方向性和亮度高的特性，才能稱之為激光”。
固體激光器包含２塊關(guān)鍵的晶體――激光晶體和非線性晶體。在實(shí)際應(yīng)用中，人們需要不同波長范圍的激光，激光器提供給人們實(shí)際應(yīng)用所需的激光波長，取決于非線性晶體；“激光晶體提供激發(fā)激光，通過激發(fā)非線性晶體而獲取所需波長的各種激光”。
據(jù)此，我們得出結(jié)論，白光激光作為一個(gè)獨(dú)立的激光光源，如果通過非線性晶體產(chǎn)生，那么，它必定擁有激光的所有特性。
查閱NATURE上發(fā)布的相關(guān)信息《Researchers demonstrate the world’s first white lasers》，有這段描述“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.”,我們從中可以了解，美國白光激光器產(chǎn)生的白激光，是基于三個(gè)平行段的半導(dǎo)體材料，它們分別產(chǎn)生可調(diào)的三基色激光，最后復(fù)合而成為白色激光。 并且文章還闡述了制作產(chǎn)生白激光的三塊平行增益介質(zhì)是如何的困難。
看到這里，我們有一個(gè)重要的概念要提醒大家：不同的非線性晶體，不能夠產(chǎn)生相干性一樣的激光。因此，由3塊不同半導(dǎo)體材料產(chǎn)生的白激光，在相干性方面，表現(xiàn)為相干性不一致。
于是有如下的結(jié)論：美國白激光，因?yàn)橄喔尚圆灰恢拢虼耍痪邆渫昝赖募す馓匦?，。而且產(chǎn)生白激光的增益介質(zhì)制作工藝復(fù)雜，阻礙了白激光器的推廣。
在《基于光學(xué)超晶格和全固態(tài)激光技術(shù)的準(zhǔn)白光激光器》一文中，作者胡小鵬和祝世寧把通過三基色誕生的、缺失了很多激光的優(yōu)良特性的白激光給了一個(gè)科學(xué)的冠名“準(zhǔn)白光激光”。準(zhǔn)白激光欠缺了激光的許多優(yōu)良特性，不屬于完美的白光激光，不是真正意義上的白光激光。
光子晶體光纖激光器產(chǎn)生的白激光，雖具備高功率、寬帶、超連續(xù)等特性，但是，“脈沖在光纖傳輸產(chǎn)生白激光的過程中，受到噪聲的影響，最后得到的超連續(xù)譜的相干性也受到影響。如果將超連續(xù)譜作為寬帶光源用于醫(yī)學(xué)、計(jì)量學(xué)和光脈沖壓縮等領(lǐng)域，其必須有良好的相干性，因此相干性好壞也是衡量超連續(xù)光譜的一個(gè)重要方面”（《基于光子晶體光纖的超連續(xù)譜相干性研究》作者姚當(dāng)）。由此可見，光子晶體光纖激光器雖然能夠產(chǎn)生白激光，因其相干性被破壞，也不能算是優(yōu)質(zhì)的激光光源。這或許就是它應(yīng)用范圍受阻的一個(gè)重要原因。
我們認(rèn)為，相干性欠缺的光子晶體光纖激光器產(chǎn)生的白激光，也屬于“準(zhǔn)白激光”。
三）如何定義正真意義上的白光激光？
首先，真正意義上的白光激光，應(yīng)具備傳統(tǒng)激光除了單色性以外的所有激光特性，同時(shí)還應(yīng)該具備傳統(tǒng)激光所沒有的優(yōu)良特性。
其次，白光激光光源是白光，因此，它的光譜還要和太陽光入射到海平面的光譜一致。
我們認(rèn)為，真正意義上的白光激光，應(yīng)該是具有和太陽光譜一致，具備全相干性、超連續(xù)、超寬帶、方向性好、亮度高、涵蓋紫外、可見、紅外的激光。
四）創(chuàng)造真正意義上的白激光真的難度很大嗎？到底有沒有全相干性、超連續(xù)、超寬帶、方向性好、亮度高的白光激光？
產(chǎn)生白光激光的非線性晶體和產(chǎn)生的白光激光實(shí)景照片
曹閏禹博士在《解析：為什么創(chuàng)造白色激光的難度很大？》一文中闡述了創(chuàng)造白光激光的難度?？v觀上面所列舉的科學(xué)家研發(fā)白光激光的方法和渠道，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們都有一個(gè)相同點(diǎn)，所有研發(fā)團(tuán)隊(duì)都沒有跳出紅綠藍(lán)三基色傳統(tǒng)激光的思維圈子。雖然大家都在致力研發(fā)非線性晶體，希望從中找到突破，但忽略了一點(diǎn)，那就是不同的非線性晶體產(chǎn)生的激光的相干性不一致。基于傳統(tǒng)三基色激光研發(fā)出來的白光激光，以及光子晶體光纖激光，在相干性方面有嚴(yán)重缺失，喪失了很多激光的優(yōu)良特性，因此不能作為一個(gè)獨(dú)立的、真正意義上的激光光源，我們只能把它列為準(zhǔn)白激光范疇。
2015年，中科院物理所李志遠(yuǎn)率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，跳出傳統(tǒng)思維，第一次在白光激光非線性晶體研發(fā)上取得突破，誕生了全相干、超連續(xù)、超寬帶的真正意義上的白激光；團(tuán)隊(duì)科研成果也因此入圍2015年中國光學(xué)重要成果。
該團(tuán)隊(duì)使用一塊完整的非線性晶體，通過中紅外、或者近紅外激光入射后，能產(chǎn)生完美的太陽光譜激光，并且這種激光具備了全相干、超連續(xù)、超帶寬的特性，正真做到了“激光進(jìn)，激光出”的效果，是完全獨(dú)立于傳統(tǒng)三基色激光之外的獨(dú)立的激光。而且在其所產(chǎn)生的波段范圍內(nèi)，能創(chuàng)造出任意波段所需要的激光，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)激光器不能創(chuàng)造任意波段激光的欠缺。
李志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的非線性晶體，不需繁冗復(fù)雜的龐大儀器設(shè)備，小型輕便，無需安裝調(diào)試，適合于對接各種激光器，便于各科研院所、大專院校以及企業(yè)使用。
當(dāng)白光激光真正具備激光的所有特性，并擁有傳統(tǒng)激光所沒有的優(yōu)勢特性的時(shí)候，才能在更廣泛的科研、生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮白光激光的作用。
我們期待，在不久的將來，我們能夠看到真正意義的白光激光能夠得到大范圍的使用，白光激光能夠真正服務(wù)于社會(huì)，推進(jìn)科技進(jìn)步。
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