科學家們在開發超寬帶白光激光源方面取得了長足進步，這些激光源覆蓋了從紫外到遠紅外的寬光譜。這些激光器可應用于各種領域，如大規模成像、飛秒化學、電信、激光光譜學、傳感和超快科學。然而，這種追求面臨著挑戰，尤其是在選擇合適的非線性介質方面。傳統的固體材料雖然效率高，但在高功率峰值條件下容易造成光損傷。氣體介質雖然不易損壞，但普遍存在效率低和技術復雜的問題。
華南理工大學李志遠教授的研究團隊最近采取了一項非常規舉措，將水作為非線性介質。水資源豐富，價格低廉，即使在高功率激光的作用下，水也不會受到光學損傷。據《Advanced Photonics Nexus》報道，水誘導的光譜展寬涉及增強的自相位調制和受激拉曼散射，從而產生具有435nm 10 dB帶寬的超連續白光激光，覆蓋令人印象深刻的478-913 nm范圍。
圖 1：(a) 非線性光學實驗裝置。(b) 典型 CPPLN 結構樣品表面的顯微圖像。(c) CPPLN 樣品的高倍視圖。(d) 制作的 CPPLN 樣品。(e) LN 晶體中 SHG 過程的相位失配曲線與 CPPLN 結構的傅立葉變換光譜。(f) 水-CPPLN 模塊在 800 nm Ti:sapphire 激光照射下的照片。(g) 水-CPPLN 模塊發出的白光光斑。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
在進一步創新的過程中，研究人員將水與啁啾周期極化鈮酸鋰（CPPLN）晶體結合在一起，這種晶體以其強大的二階非線性功率而著稱。這種結合不僅擴大了超連續白光激光的頻率范圍，還使其輸出光譜更加平坦。
圖 2：不同輸入脈沖能量下的水后的歸一化超連續譜。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
據該論文的資深作者李志遠教授介紹：級聯水-CPPLN模塊為實現脈沖能量強、光譜平坦度高、帶寬超寬的“三高”白光激光器提供了一條長壽命、高穩定、低成本的技術路線。
這項水-CPPLN 協作成果前景廣闊。這種超寬帶超連續光源具有0.6 mJ的脈沖能量和超過一個倍頻程(413-907 nm)的10 dB帶寬，在超快光譜學和高光譜成像方面具有潛力。
圖 3：水-CPPLN 模塊在不同輸入脈沖能量和入射光斑直徑下發出的歸一化超連續譜。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
圖4：(a)模擬不同輸入能量下水通過SPM的輸出光譜。(b)模擬了4 mJ泵浦脈沖能量下40 mm長度水體中不同位置的光譜演化。(c) 4 mJ脈沖能量泵浦作用下水中超連續譜實驗的線性擬合過程。資料來源：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
李志遠教授說：它在極端光譜帶寬上以高信噪比提供了物理、化學和生物過程的高分辨率。它為制造具有強脈沖能量、高光譜平坦度和超寬帶寬的長壽命、高穩定性和廉價白激光器開辟了一條有效途徑，為科學研究和應用的新可能性鋪平了道路。
參考文獻：洪麗紅等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
DOI: 10.1117/1.APN.3.1.016008
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