如何能夠做到將激光的波長覆蓋全光譜？

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我覺得這是一個有趣的問題，如果在某種條件下能夠實現激光的波長覆蓋全光譜，那麼便不用費心費力去尋找合成那麼多有特徵波長的材料。但是也許要實現這種可能的方法較目前而言是非常規的。
目前部分有機激光材料的確可以實現從短波到長波的轉變，但這也根本不是全光譜。
求問各位知友對實現激光的全光譜覆蓋方面的了解，以及該技術可能有的應用。

這裡有一張很不錯的圖，來自List of laser types

這圖的上半邊是產生分立譜線的激光，下半邊是連續可調諧的激光。可以看出波長從200nm到30μm都有激光器覆蓋到。其中比較重要的激光器有：

Ruby（紅寶石激光），694.3nm，第一台誕生的激光器。

He-Ne（氦氖激光），632.8nm，第一台氣體激光器，具有優良的相干性和準直性，廣泛用於科研和生產。

CO2(二氧化碳激光)，10.6μm，具有很高的平均功率和能量效率，廣泛用於材料加工，外科手術。

若丹明染料激光，540~680nm，最早的可調諧激光，被用於科研，光譜學，醫學等等。

Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石激光），1064nm，使用廣泛的固體激光器，被用於科研，眼科，材料加工等等。著名的激光干涉引力波天文台（LIGO）用的就是這種激光，可以探測相當於質子直徑千分之一的位移。

Ti:Sapphire（摻鈦藍寶石激光），650~1100nm，使用最廣泛的可調諧激光，基於Ti:Sapphire的鎖模激光可以產生超短脈衝和超強功率的飛秒激光。

ArF準分子激光，193nm，重要的深紫外激光，是半導體光刻常用的光源。

這圖沒有給出的是FEL（自由電子激光）。FEL擁有最寬廣的調諧範圍，從毫米波到波長0.06nm的硬X射線都實現了出光。而單台激光器也可以在很寬的頻段內調諧，如美國的LCLS可以產生0.15~6nm的激光，大連自由電子激光可以產生50~150nm的激光。所以FEL可以用來產生常規激光器難以產生的波長。不過FEL設備體積過於龐大，佔地相當於一個網球場，運行成本也很高。

然後說說哪些因素限制了激光器的波長。激光的產生需要三要素：泵浦源，增益介質和諧振腔。常規的激光器是通過能級躍遷產生增益的，所以激光的波長取決於能級的大小。像硬X射線的光子能量達到數keV，遠遠超過常規物質的能級差，所以很難找到合適的增益介質。而真空紫外（10~200nm）在任何物質都會被強烈吸收，也缺乏高反射率的材料，所以這一方面導致難以構造諧振腔，一方面也難以實現放大（增益介質吸收的比增益的還要多）。

這裡重點提一下FEL。FEL和常規激光器不同的是，FEL是通過接近光速運動的高品質電子束在磁場中拐彎產生相干同步輻射。由於同步輻射的光子能量只取決於電子能量和磁場參數，原則上任意波長都可以產生，不受常規激光器的能級限制。FEL是在真空中產生的，不存在材料對光的吸收，也不會因為激光太強導致材料出現非線性，所以FEL可以對任何波長實現增益，理論強度沒有上限。唯一的一個問題是反射鏡仍然限制了更短波長的獲得。後來有一個重大的理論突破是無需反射鏡的SASE模式（自放大自發輻射），高速電子一次通過磁場產生激光輸出，從而繞過了諧振腔的限制。LCLS是第一台產生硬X射線的激光器，用的就是SASE原理。然而由於缺乏諧振腔，SASE產生的激光時間相干性不如常規激光器，能量漲落，時間抖動也很大。後來人們又開發了用常規激光器提供種子，FEL進行倍頻的HGHG模式（高增益諧波產生），這樣FEL仍然可以保留常規激光器的時間相干性，同時實現更短波長的輸出。大連的極紫外光源用的就是HGHG原理。然而FEL的倍頻能力也是有限的，由於常規激光器的波長限制，產生硬X射線仍然很困難。目前比較有希望的是利用金剛石或藍寶石單晶作為反射鏡。金剛石對硬X射線（5~25keV）有良好的反射率，這使得X射線的諧振腔成為可能。所以目前來看激光的波長可以推進到真空紫外/軟X射線和硬X射線的波段，而實現更短波長的激光可能需要全新的手段。

還有一個辦法繞過諧振腔限制的是用倍頻材料。倍頻的原理是激光穿過一些非線性材料會產生高次諧波，這些高次諧波保留了輸入激光的單色性，相干性。不過倍頻材料有一定的工作範圍，不是所有的波長都能倍頻的，倍頻的次數也有限制，常見的有二倍頻，三倍頻。然而有一種技術叫HHG（High harmonic generation），用氣體對入射激光倍頻，可以獲得二三十倍的倍頻。更可貴的是這些倍頻的光有更短的脈衝，更小的發散角。利用HHG可以產生阿秒量級的極紫外激光脈衝。

覆蓋全光譜是不可能的，畢竟無線電到THz都是不能飽和的，到硬X射線後及gamma ray也是沒法飽和出光。

至於中間區域，自由電子激光就基本能覆蓋。但是自由電子激光這東西取決於很貴很貴的加速器和很貴很貴的團隊。所以不是個人用得起的，也不是一般公司，學校用得起的，甚至小國窮國都是負擔不起的。中國90年代謝家麟先生主持的北京自由電子激光，將近20多年是中國唯一的自由電子激光，直到上海光源的FEL建成。這東西通過調節振蕩器的磁場強度，周期和電子束能量來調節波長。高能的X射線需要極好的電子品質和極高的能量。導致即使是用戶，都要付出極其高昂的運行經費，顯然是貴族們用的。

那有沒有便宜的商用的呢?自然是有的。比如這家 NKTphotonics：

1.SUPERK VARIA TUNABLE SINGLE LINE FILTER，連續可調，覆蓋波長 400 – 840 nm 。

才那麼大， 40000刀一台，真不算貴。

2.甚至是白光激光器 FIANIUM WHITELASE MICRO SUPERCONTINUUM LASERS

波長連續覆蓋 400-2000 nm output spectrum。是這樣的，也就30000刀一個：

3. 如果要求沒那麼高，弄點衍射極限光玩玩，有SUPERK COMPACT SUPERCONTINUUM LASERS。覆蓋波長：

這樣的laser在科研處用的不少，只是不同的激光有不同的特點和作用。要覆蓋全光譜總要犧牲點其他的特點。

聲明，不是廣告貼，不認識這公司的領導。只是用過他們的激光而已。

全譜段也看情況，比如可見光？可見近紅外？還是紫外與可見？為了產生寬譜的激光輸出無非兩種方式，一種從增益介質上做文章，比如多種稀土摻雜，或者選用能級極為複雜的材料，像鉍這種。調整半導體的能帶等等。不過這種方式始終對光譜的影響有限。第二種則是非線性效應。通過多級拉曼散射，調製不穩定，拉曼孤子，色散波，四波混頻等一個或多個非線性效應將輸入激光展寬。但畢竟這依然受到材料本徵吸收的限制，無法無限展寬。例如你不能期望熔石英材料通過非線性效應能擴展到3微米，當然也無法到200納米。

說了這麼多廢話，這位同學有空問個問題不如上谷歌學術多搜paper，不要問我怎麼上，這點問題逗解決不了也就基本沒必要懂這些了。

非線性光學2333

超短光脈衝和鎖模

Are you ZJUer?

自由電子激光器Free-electron laser

先寫一個，晚上回家補充資料。

前面高票答案已經說了通過現有激光產生其它波段的諸如倍頻光，混頻等波段的方法。

我來補充一下，業界其實有很寬波段光的產生辦法，產生出來的光嚴格意義上講已經不是激光，因為相干性不好。稱為超連續光速（super continuum）

要產生超連續光譜，首先要有合適的光傳播介質，由於能帶結構或者分子、原子能級的限制，任何一種材料都不可能是在所有波段全透光的，所以在任何一種材質內產生的超連續光譜都是範圍有限的。

目前產生超連續光譜的熱門材料是As2Se3和ZBLAN。這兩種材料有著很高的非線性係數，可以通過諸如自相位調製，克爾效應，四波混頻，和頻，差頻，交叉相位調製等效應實現超連續光譜的產生。

從產生原理可以知道，超連續光譜一般功率都做不高，對於需要高功率的應用是無能為力的，但是非常適合做感測，監測應用。例如基於特徵光譜識別癌症，大氣污染物監測，基因診斷。

前年一篇Nature Photonics文獻報道了使用ZBLAN光纖和飛秒激光產生的覆蓋幾百nm到11.6um波段的超連續光譜，題主有興趣可以去下載來看看。我晚上可以補個ABSTRACT和引用。

另外，按照傅里葉變換，頻域上超寬的光，時域上一定是超短脈衝，飛秒激光其實也是一種頻域上的寬頻光譜。

手機碼字，比較亂，有空用電腦再改

請Google超連續譜。——

激光覆蓋全光譜，那還是激光嗎。。。

基本沒有這個可能。激光本來就是電子躍遷的產物。電子的能級都是量子化的。所以也就不可能有連續的波長變化了。換句話說，就是激光覆蓋的波長範圍見必定會有空檔。

我學的可見光波段以及部分紅外波段，所以就用自己初學者的知識來說一下。因為我學的不精，所以請見諒。

我老師說如果別人說有白光激光，這就說絕對是假的，激光的定義就是narrow linewidth，不然這就是LED燈？

如果是diode laser，感覺並不可能，一般情況沒有defect的半導體valence band 和 conduction band之間的距離決定了最小的能量，總有一個band gap。

如果是氣態激光，至少我學的HeNe laser,Ar laser以及excimer laser等是不可能覆蓋全可見光波段的，因為一般氣態激光是根據原子能級決定的，頂了天就是因為有vibrational state導致部分激光有相對寬一點的輸出。

如果是固態激光，非線性材料裡面Nd yag激光可以有多倍的harmonic generarion,但是輸出也是確定的，如果是Nd glass激光，因為原子間距不同，所處環境不同導致輸出的波段變寬，然而也不可能覆蓋多大的波段。

紅外波段我知道的一般是用氣態激光，co 5.3微米，co2激光10.6或者9.6微米，但是也是固定的。至於THZ，一般是用非線性光學中的optical rectification來產生的，無法全波段。

量子激光也許可以通過調整barrier width或者高度調節射出的波長，但是也不可能全波段。

總之，全波段的激光不可能。

全波段的激光就算存在也不叫激光，定義裡面high coherence，其中時域相干的公式是k乘以中心波長除以delta波長，全波段就沒有時域相干了，根本就不算激光。

有一種沒有諧振腔的激光，理論上可以有各種波段的輸出，但是首先同一平面上的原子相對位置得算的特別特別好，可是這基本是不可能的。

激光激光，主要講的是發光原理不一樣。

光是從組成物質的原子中發射出來的，原子獲得能量後處於不穩定狀態（也就是激髮狀態），它會以光子的形式把能量發射出去。而激光，就是被引誘（激發）出來的光子隊列，這光子隊列中的光子們，光學特性一樣，步調極其一致。打個比方就是，普通光源，比如電燈泡發出來的光子各不同，而且會各個方向亂跑，很不團結，但是激光中的光子們則是心往一處想，勁往一處使，這導致它們所向披靡，威力很大，以至於，人們過去常把激光稱為「死光」。

先不說頻譜，激光與普通光最大的區別就是方向性。

激光因為受限於發光材料的問題，單種材料不可能發出全頻段的光。

普通的光利用鏡片聚合，也是能達到激光類似的效果，也就是方向儘可能保持一致。

所以說，要想得到全頻段的方向一致的光，也是有辦法的實現的。

例如，多個光源，利用鏡片將多個光源聚合起來，也差不多實現了全頻段方向一致的光。

只是，這樣的一個系統太龐大了，目前還真沒必要使用這麼麻煩的辦法，一般的激光已經夠用了。