浅谈白光激光及其应用

九一隐士2017-08-03 13:15

原文作者:南京晶之彩材料科技有限公司,white光子晶体研发组

导言:

现存的激光技术一直有一个短板,就是只能发出单一波长或者窄频带的光。如何将激光的频率扩展形成超宽带、超连续,涵盖紫外、可见和红外波段的相干白光激光,仍然是人类尚未实现的梦想,是个世界范围内的科技难题。这是由于激光器由光学谐振腔、增益介质和泵浦源构成。激光器波长是由增益物质中原子、分子或者离子的能级结构决定的,由于自然界激光晶体材料在增益频率范围和增益带宽有很大的局限性,激光器不能产生任意波长的激光。

到底会不会创造出这种完美的白激光?它的出现又能给激光的应用带来哪些变革和发展呢?

一、太阳光

众所周知,万物生长靠太阳,太阳光为地球带来光和热。人们所熟悉的太阳光是一种白光,其频谱涵盖了紫外-可见-近红外-中红外波段,如图1所示,在可见光波段(400-700nm)辐射能量最强,涵盖了红橙黄绿青蓝紫七种颜色,而且在光谱上连续分布和过渡。因为太阳光是白光,所以在雨后的天空经常会看到彩虹,或者太阳光通过一个玻璃三棱镜会出现七种颜色的光带(图2),这是人们日常生活中的普遍经验。

人们不那么熟悉的一件事是,太阳光是一种完全非相干光。体现在空间相干性方面,太阳光不能准直,高度发散,在时间相干性方面,太阳光不同颜色之间没有任何的相位关联和锁定。因此太阳光只能用来产生能量,应用于取暖、热水器、太阳能电池等方面。但是,太阳光用来传递信息等现代科学技术的应用,就显得力不从心。

图1. 太阳光光谱分布图。包括太阳自身的黑体辐射光谱图、入射到地球的太阳光光谱图、由于大气水分及二氧化碳的吸收而到达海平面的太阳光光谱图。

图2. 太阳光通过玻璃三棱镜后,形成红橙黄绿青蓝紫七种颜色的连续分布和过渡的彩色光带,表明太阳光是一种白光。

二、激光

激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点,其综合性能远超过传统的太阳光、白炽灯、日光灯、LED灯等光源,是人类利用光的信息和能量的革命性方式。自1960年梅曼发明第一台激光器(红宝石激光器)以来,在过去50年中,激光技术获得了巨大的发展,取得了伟大的成就,在人类社会的多个领域发挥着重要的应用作用。激光技术的发展日新月异,从早期的气体激光器(氦氖激光器),高功率二氧化碳激光器,准分子激光器,可调谐染料激光器,半导体激光器,纳秒和皮秒脉冲激光器,到近期的光纤激光器和飞秒脉冲激光器,激光器家族成员越来越多,各方面的性能(光束质量、模式形态多样性、脉冲宽度、峰值功率、平均功率、空间相干性、时间相干性等)不断提升。激光技术的应用范围也是越来越广阔,已经成为科学研究、国防军事、照明、光纤通信、信息传感、存储和显示、工业生产、生物医学、环境检测等方面不可或缺的工具,而且极大地推动着这些应用不断走向新的水平和台阶。

但是,现存的激光技术一直有一个短板,就是只能发出单一波长或者窄频带的光。如何将激光的频率扩展形成超宽带、超连续,涵盖紫外、可见和红外波段的相干白光激光,仍然是人类尚未实现的梦想,是个世界范围内的科技难题。这是由于激光器由光学谐振腔、增益介质和泵浦源构成。激光器波长是由增益物质中原子、分子或者离子的能级结构决定的,由于自然界激光晶体材料在增益频率范围和增益带宽有很大的局限性,激光器不能产生任意波长的激光。

1961年发明的非线性频率转换技术(倍频、和频、差频、参量放大等)能将一个品质优良的激光器的某一个固定波长的激光输出,通过非线性晶体材料转换到很难或根本不可能直接得到的波长区间,因此,非线性频率转换技术是拓宽激光输出波长的重要手段,而非线性晶体材料是该技术的基础。非线性频率转换要求相位匹配,在相位匹配的条件下,非线性过程可以获得最大转换效率。双折射匹配和准相位匹配是两种常用的相位匹配技术,适用于不同的激光系统。但是,由于目前所有的非线性晶体的色散效应,非线性过程中的相位匹配通常不能得到自动满足,在双折射匹配和准相位匹配技术下,非线性晶体材料的频率转换范围及带宽依然存在很大的局限性。事实上,目前已有的激光器系统所产生的激光远远不能涵盖所有的波段,很多重要的波长处并没有相应的激光器。另外,激光器的带宽也是有限的,最好的钛宝石飞秒激光器也只能覆盖300nm的范围,且其中心波长在800nm。自激光发明和非线性光学诞生50年以来,没有任何方案可以产生真正意义上的白光激光。

当今时代,各个发达国家都将非线性光学晶体、器件及应用放在优先发展的位置,并作为一项重要战略措施列入各自的高技术发展计划中,给予高度重视和支持。就非线性光学晶体、器件及应用整个领域的科技水平来看,发达国家如美国、英国、德国、日本等居于世界前列,从最初的原理提出、新材料的探索、器件的开发、整机设备等,他们都作出了重要的贡献。作为产业大国,在大规模生产的非线性光学晶体如LiNbO3等占有垄断地位。在器件制造方面,由于整体技术力量强,工业基础好,美、欧等发达国家占有决定性的优势地位。

我国在非线性光学晶体领域占有重要的地位,多种非线性光学晶体的生长技术居国际先进水平,国外已有的所有晶体生长方法我国都有,几乎所有重要的非线性光学晶体都已生长出来,一些重要晶体满足了国内重大工程需求,一批高技术晶体已成为商品。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确将“激光技术“列为八大前沿技术之一,本项目面向《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中的“激光技术”、“新材料技术”前沿技术,“凝聚态物质与新效应”科学前沿问题,因应国家科技发展的重要战略要求。

如果能够利用非线性光学晶体材料中的各种非线性光学效应,成功地将激光的窗口扩大到紫外、可见、红外等范围,而且光谱连续分布,就如图1所示,就产生了所谓的白光激光或者太阳激光。这样的一种崭新的技术无疑将极大地提升激光技术的发展水平,极大地扩大激光器家族的成员规模,极大地提升激光技术现有应用的水平,并诞生众多前所未有的崭新应用。因此,这样的技术将有着巨大的应用价值,其涵盖的全链条领域是个数以万亿计的空白市场。

三、白光激光的优点及应用前景

白光激光光源、短波激光光源和超连续激光光源相比于普通的白光光源(如太阳光、白炽灯、白光LED灯等),具有亮度高、峰值功率强、频率覆盖范围广等优点,在科学研究、国防军事、照明、通信技术、信息技术、工业生产、生物医学、环境检测等领域有广泛的实际应用价值,获得了强烈的关注。

白光激光作为一种崭新的激光光源,具有方向性好、能量密度高、超连续的光谱、极大的带宽、灵活多样的中心波长、高度的时间和空间相干性等多种多样的优点,将极大地拓展激光技术的功能和应用范围。白光激光或者太阳激光是时空完全相干的光,不仅激光光束高度准直,不发散,而且能够聚焦到极小的区域;不同颜色之间振幅和相位完全锁定,通过调控这些振幅和相位,可以随心所欲地改变激光的时间脉冲形状,产生脉宽极短(飞秒及亚飞秒)的激光脉冲。这样的太阳激光将有可能实现光的能量在时空上的聚焦和汇聚双重效应,在微小区域和极短时间内上释放出能量,从而形成极高的瞬时功率密度。

作为一种全新的激光光源,白光激光的应用涵盖基础科学研究、通讯信息、工业生产、国防军事、生物医学和环境检测等。简单的介绍如下:

1、物理、化学和材料科学基础研究

激光已经广泛应用在基础科学研究上,包括物理、化学和材料科学的许多领域,都需要通过激光和物质的相互作用,来获得微观世界物质的信息,从而了解原子、分子和固体、液体等材料的物质状态和属性,从而为达到认识微观世界并予以应用的目标。不同于现有的常规的激光,白光激光具有超连续、超宽带、完全相干的特性,使得其可以在普通激光力所不能及的众多领域上发挥重要的不可替代的作用。这方面的应用聚焦于国内外众多的研究型大学和科研机构,经济效益和社会效益十分可观。

(1)高精度光谱学:原子、小分子、生物大分子、固体和液体材料等,有丰富多彩、多元化的能级,反映了电子运动、原子振动、分子转动等物质运动形态,它们的能量尺度千差万别,大至几个电子伏特,小至几个毫电子伏特,对应的激光波长为紫外至远红外波段。经常采用各种激光光谱学手段和技术(如荧光光谱、拉曼光谱、光致发光光谱、红外光谱、非线性光谱等)来探测这些物质运动的形态。白光激光中心波长可处在紫外、可见、近红外和中远红外的不同可以在多个波段,并各自覆盖一个宽广的超连续的波段, 因此,可以利用各白光激光来实现对物质的微观物理和化学过程以及材料物性的多模态探测,获得各加丰富多样的信息,从而对微观运动状态有各加深入细致的了解和理解。

(2)化学分子反应动力学:化学分子的反应动力学过程的时间尺度从几个皮秒一直到几个飞秒的广阔范围。白光激光的频谱范围远超过一般的钛宝石飞秒脉冲激光,这些相干的光谱成分经过相干合成技术可产生短至一个飞秒左右的激光脉冲,当然也可以产生长至皮秒甚至纳秒的激光脉冲。因此由白光激光衍生而出的超短脉冲激光可应用于探测化学分子的反应动力学精细的信息。更为重要的是,白光激光的中心波长可以调节,意味着超短脉冲激光的中心波长也是可以调节的。因此可以针对特定化学分子的敏感波段,选择合适的超短脉冲激光,来进行探测和观察。

(3)多量子态调控:原子或者分子通常由许多微观运动状态,对应于许多能级。电子在这些能级之间可以通过量子跃迁来改变状态。每个量子跃迁需要某个频率的激光去驱动,同时驱动多个量子跃迁需要多个频率的激光同时去驱动。为了不扰乱量子跃迁之间的相位,实现相干的多量子态调控,要求多路激光之间的相位必须锁定。因此,普通的多束不同波长的激光方案或者钛宝石超短脉冲激光方案无能为力。而本项目拟研制的白光激光可以胜任这个难题。而且,由于其中心频率和光谱带宽都可以调节,有望适用于广泛的原子、分子和量子材料(量子态跃迁途径的数量、跃迁能级分布以及跃迁波段)的多量子态调控。

2、生物医学应用:

和普通激光一样,白光激光也可以应用于生命科学的研究和生物医学诊断及治疗。比如作为精密光谱学、超快动力学探测、共聚焦显微分析、流式细胞仪等技术应用于蛋白质大分子生理功能的研究,利用光学相干层析技术、拉曼光谱技术、非线性光谱技术作为生物医学的疾病诊断工具;也可作为越来越流行的工具应用于激光美容、激光医学、光热治疗等。作为超连续、超宽带、中心波长可调的白光激光在不少领域有独特的优势。

(1)多模态生物成像和分析: 由于人体细胞、组织和器官对光的响应复杂多样,其敏感波段也多种多样,因此特别需要波长可变、超连续、超宽带、高功率的激光作为工具,利用光学相干层析技术、拉曼光谱技术、非线性光谱技术等探测手段,来与人体疾病区域的组织和器官相互作用,获得各种各样的信息,从而得到多模态生物成像的目的。这对疾病的快速诊断和分析将提供极为便利可靠的技术手段。

(2)激光美容:激光美容利用激光与人体脸部等表皮组织相互作用,通过光热效应、光电效应、光化学反应等物理和化学过程实现对表皮冗余和病变组织的清理和去除。由于表皮组织的复杂多样性,需要多种波长的高功率激光选择性或者协同作用。因此,白光激光将发挥传统激光所不能做到的功能和效果。这方面的应用将走进老百姓的日常生活,使得白光激光这一新技术更多地位老百姓所了解、理解和认同。具有重要的经济和社会效益。

3、大气和环境监测应用:

随着中国许多区域(如华北地区)的大气、水、土壤等环境要素日益受到污染而不断退化,给广大人民群众的生活和生产带来了巨大的负面影响,比如,华北和江淮广大地区的雾霾逐渐成为常态化的事物,环保的问题日益突出,理念日益深入人心。国家和社会对环保的投入越来越多,因此日益需要越来越强大的环境检测技术和手段。激光技术作为光谱分析的核心组成部分,已经在大气遥感和环境监测等方面发挥着越来越重要的作用,已经有激光雷达等产品提供给环保部门。激光应用于环境检测的基本科学原理是激光束和大气相互作用,激光将和大气中的各种物质成分(O2,N2,H2O、NO2, H2S, SO2, CO, CO2等)发生复杂的物理和化学作用,产生的弹性(瑞利散射)和非弹性散射(荧光、拉曼、布里渊散射)的信号光将携带这些物质成分的内部量子态和化学结构信息,通过收集这些光学信息,可获得它们的组分分布和丰都的信息,帮助环保部门掌握深入而详细的大气成分信息,给出相应的对策。普通的激光雷达使用单色激光作为探测源,只能和特定的大气分子发生强烈的散射作用,而超连续、超宽带、高峰值功率的白光激光将可以同时和多种大气分子相互作用,一次性产生的光散射信息将极端丰富,因此将能够极大地提升激光雷达监测大气质量的功能。

4、工业应用:

激光已经广泛应用于激光加工(切割、焊接、制造和3D打印、打标)、信息技术(激光防伪、全息信息存储、激光彩色显示、激光电视、激光投影仪)、传感和检测、通讯(光纤通讯、自由空间光通讯、可见光通讯)等。白光激光作为一种新的产品,将有它独一无二的工业应用领域。

(1)彩色全息:激光全息术是一种应用十分广泛的纪录和再现物体形貌信息的技术,其原理是利用激光的干涉效应(参考激光光和物体反射激光的干涉),原则上可纪录物体的所有信息(视觉明暗信息(即反射振幅信息)和相位信息)。典型的应用是激光防伪和激光扫描仪(超声使用的条形码),普通的全息片使用单色激光产生全息条纹,如果能够使用彩色激光或者白光激光产生全息干涉条纹,原则上不仅能够反映出物体的轮廓信息,而且能够反映出色彩信息。这是一种真正的物体全方位信息纪录和再现的技术。该技术不仅大大提高了全息片所蕴含的信息量,提高激光防伪的可靠性,增加信息被破解的难度,而且能真实地再现物体的三维信息及彩色信息。

(2)3D显示和虚拟现实技术:利用白光激光可实现彩色全息,实现物体3D信息的记录和再现。因此,有望应用于当今社会广泛关注却因为技术困难而迟迟没有进展的3D显示和虚拟现实技术。实际操作上,可参考电影工业的技术,将运动物体的图像和信息记录在胶卷上,按照每秒钟16帧额速度记录,并按照相同的速度播放,就可以简单地实现拍电影和放电影两个过程。彩色全息3D显示也是一样的道理,只不过物体的3D图像(彩色及轮廓信息)存储在彩色全息片上,每秒16帧,然后利用白光激光照明彩色全息片,每秒16帧,就可以播放出具有完全真实的3D彩色效果的图像来。将这样的技术与虚拟现实技术及增强虚拟现实技术结合,有望真实彩色的3D虚拟现实技术。

5、国防和军事应用:

激光既是信息的载体,也是能量的载体。两方面的特性都可以在国防和军事领域找到众多的应用。作为能量的载体,激光可以应用于制造主动式红外成像和夜视仪,也可以作为高定向能量的激光武器应用于激光对抗。另外还可以利用光电效应的原理,采用中小能量的激光对敌方的卫星、导弹、飞机等飞行物的光学敏感部件产生激光损伤和破坏,从而实现摧毁敌方军事目标的目的。在这方面,超连续、超宽带、高功率的白光激光有独特的优势,因为其光电效应的频率窗口巨大,很容易对多种光学敏感器件(通常一种光学器件有一个敏感波长)进行物理和化学反应。另外,白光激光峰值功率巨大,当和光学敏感器件发生共振相互作用时,将产生巨大的破坏效果。这个技术尤其适用于对敌方卫星进行干扰和破坏。

作为信息的载体,激光可应用于自由空间的通讯,特别适用于光纤通信所不能触及的区域,如太空和海洋内部。由于白光激光拥有宽广的波段,作为通讯工具其蕴含的信息量可远大于普通的单色激光,所以,特别适用于海洋内部潜艇之间的自由空间激光通讯。

四、白光激光的发明

2015年李志远教授带领“晶之彩”科研团队,发明了一条原创性的科学思路和技术方案。利用中红外的宽带飞秒脉冲激光泵浦单块啁啾结构铌酸锂非线性超晶格光子晶体---白光激光晶体(如图3所示),可以产生高性能的白光激光。白光激光晶体材料具有多个超宽带倒格矢分布的特点,可实现多波段超宽带准相位匹配的问题。利用单块准相位匹配非线性晶体和中红外超宽带飞秒脉冲激光相互作用,在单块晶体中实现了二到八次谐波的同时产生,进而产生超连续的相干白光激光。其波长涵盖紫外、可见和近红外波段,能量转换效率超过18%。该白光激光晶体,完全是全球首创的超材料晶体,它的出现改变了以往只能转换单一频率或者有限几个频率的晶体限制,同时针对多个领域大大地拓展了激光的应用范围,是具有革命性意义的新材料,白光激光的发明,填补了非线性光学和激光技术的空白。白光激光的发明及研究成果发表在国际光学和物理学权威期刊上,并申请了中国国家发明专利。由于显著的原创性而入选2015年度“中国光学重要成果”。

由于刚刚将可产生白激光的非线性晶体的科技成果转化为产业化产品,晶之彩团队尚处起步阶段,资金和人才困扰并阻碍了白激光的快速推广和应用;但是这些都无法阻挠晶之彩科技人员研发白激光发生器的目标和决心。

相信不久的将来,在李志远教授带领下的晶之彩团队一定会给全球激光界再一个惊喜,世界上第一台真正意义上的白激光发生器诞生,为世界奉献完美的新型激光光源――-白激光!

图3. 铌酸锂白光激光晶体的封装实物图

一个高质量白光晶体样品输出光束的形态保持了泵浦光的形状,为圆形的高斯光束。光束的颜色照片如图4所示,为理想的白光。该白光光束经过光栅分光后,形成鲜艳的彩色条带,如图5所示,从右到左依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。表明白光激光晶体输出的激光为高性能的完全相干的超连续白光激光。另外,该光束保留了泵浦激光光束的优秀的时间和空间相干性。

图4. 啁啾铌酸锂非线性光子晶体输出的白色激光光束的照相机拍照图

图5. 白色激光光束经过光栅分光后的彩色条带分布的照相机拍照图

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