可產生超寬全譜激光的白光激光技術

作者： 胡曉光

世界性的難題

傳統激光的波長是由增益物質中原子、分子或離子的能級結構決定的，因此激光器不能產生任意波長的激光輸出。隨著非線性光學的發展，通過非線性頻率轉換技術，能將某一固定波長的激光輸出通過非線性晶體材料，轉換到很難或者根本不可能直接得到的波長區域；它已成為獲得新波長相干光源的重要手段。

20世紀90年代，周期極化晶體製作工藝的成熟，以及外加電場極化法的出現，通過對二階非線性係數進行空間調製來實現准相位匹配，使之成為具備周期性變化二階非線性係數的非線性光子晶體。

非線性光子晶體利用准相位匹配技術，使得非線性係數較大、透光範圍較寬而無法實現常規相位匹配的晶體能高效轉換。該技術通過人為合理地控制疇反轉周期，可實現理想的非線性相位匹配，使變頻輸出光的能量達到實際應用要求。

不斷拓寬激光輸出的頻率範圍和提高轉換效率，是激光技術的發展趨勢。超連續、超寬頻、全相干的、具備太陽光譜的白光激光，不失為一種完美的激光光源。

但是，白光激光是否可以被創造，取決於是否可以創造出一種晶體製造技術，確保該晶體能夠保障多級次非線性頻率上轉換過程能夠同時高效率產生，這樣就可以產生極寬頻、多階次高次諧波。目前這還是世界性的難題。

解決這一世界性難題，不僅可以誕生一種新型非線性光子晶體超材料，而且，還能夠產生超寬頻、超連續、全相干的新型超寬譜激光光源----真正意義上的白光激光。它將對人類社會利用激光光源改造世界，產生深遠和革命性的影響。

多階次高次諧波同時產生

攻克這一難題，還能解決激光的高轉換效率問題，打破人們長期以來依賴單譜線或窄帶寬激光進行工作的禁錮。例如，不需要多台激光器設備，僅僅通過一塊晶體就使多譜線激光協同工作成為現實；超寬譜激光應用系統也將在更加廣闊的領域真正得到創新應用和發展。

這種新的非線性光子晶體超材料技術的誕生，意味著把傳統上需要多塊晶體級聯才能完成的任務，通過單片晶體的設計，以更加高效、簡單的方式完成；傳統飛秒脈衝激光器也將朝著低成本化、操作簡易化、體積小型化方向發展。

「白光激光技術」的誕生

面對世界性難題，時任中科院物理所光學重點實驗室副主任的李志遠研究員認為，超連續、超寬頻和全相干的白光激光光源，不但要求所有顏色的激光本身都是相干激光，而且，所有顏色的激光之間都彼此相干；這兩個必要條件缺一不可。

如果從傳統思維方式去單純尋找破解思路，就要求抽運光有極寬的帶寬，同時二次諧波產生（SHG）變頻過程也要求有極寬的帶寬；目前所有的非線性晶體和非線性超晶格材料都不可能做到。

如果繼續沿用傳統的定向思維去研發新的非線性晶體，也是不可取的。一塊傳統的非線性晶體，需要耗費大量人力和物力去研發它，時間成本和資金成本都很大。例如，LBO晶體和BBO晶體，就耗費了福建物構所前後三代人去研發，而一塊LBO晶體的生長周期需要2-3個月，一個BBO晶體的生長周期更長，需要3-4個月。

李志遠認為有必要另闢蹊徑，用一種全新思路和方法去攻克這一難題。

經過縝密思考和推算，李志遠給他的團隊定下了研究方向和研究思路；將激光技術和非線性技術結合起來，改造非線性晶體內部的構造，保障多級次非線性頻率上轉換過程能夠同時高效率產生，就可以產生極寬頻多階次高次諧波，最終獲取超寬頻、超連續、全相干的白光激光。

高次諧波及白光激光產生的原創性解決方案圖

最終，於2015年，通過寬頻級聯倍頻和和頻技術的全新的學術思想，採用多級次、超寬頻准相位匹配的解決方案，簡單、通俗、易行、高效地解決了這一個世界性難題，填補了世界性激光技術的空白。

激光技術和非線性技術相結合，因能產生350-2000 nm全譜激光光源，因此，李志遠形象地把這種技術稱為白光激光技術。

這一世界首創的技術不僅在當年得到中國光學學術界的認可，還獲得「中國光學重要成果獎」，同時2項發明專利也申請獲批。

激光超材料white光子晶體

李志遠團隊利用白光激光技術，通過對非線性晶體鈮酸鋰晶體的改造，使普通的非線性光子晶體，成為可產生白光激光的超材料（超材料，是指人為設計的結構並呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的複合材料），並把它命名為White光子晶體。

超連續譜的白光激光誕生（照片為可見和近紅外譜）

利用准相位匹配原理，對鈮酸鋰晶體材料內部的鐵電疇實施極化，極化圖案為啁啾結構，最終誕生的White光子晶體，它是准相位匹配理論與實踐完美結合的產物。輸出諧波做到了2到8階同時輸出；產生的白光激光，分色後得到彩色連續光譜。

備制一塊White光子晶體，所耗費的時間成本和資金成本，都遠遠小於傳統非線性晶體的研發和製造；製造流程和工藝也符合產業化要求。

White光子晶體產業化製造原理示意圖

White光子晶體，採用的輸入源是中紅外飛秒脈衝激光抽運源，輸入源還可擴展為近紅外飛秒脈衝激光抽運源，以擴大飛秒脈衝白光激光的輸出功率。在掌握白光激光技術後，團隊將持續深入研發功能更加強大的White光子晶體晶元。

White光子晶體不僅僅可以產生白光激光，通過定製，還可以產生社會生產生活中所需的各種波長和帶寬的激光。這項技術終結了傳統激光器不能產生任意波長激光的歷史，從而擴大了激光家族，對激光應用系統的創新開發和市場規模的擴大，將起到深遠的影響。

從實驗室走向產業化

李志遠創立的單片設計理念，把傳統上需要多塊晶體級聯才能完成的工作，簡化到單片White光子晶體里，通過對單片晶體的設計，以更加高效、簡單的方式去完成；為激光器的簡易操作和小型化奠定了基礎。

White光子晶體可依據客戶需求和應用場景進行定製任意波長和帶寬的激光，這一功能極具市場潛力。

將科技成果轉化，才能真正體現白光激光技術的價值。2016年，李志遠率領的團隊在南京成立了南京晶之彩材料科技有限公司，向產業化發展邁出了第一步。

在公司成立之後的一年多時間裡，團隊研發的White光子晶體晶元，使之更加符合日常生產、生活中的需求；並設計了適合White晶片批量化生產的工藝流程；完成了與之相匹配的飛秒脈衝白光激光器的前期研發工作，配備白光激光技術的飛秒脈衝激光器將成為白光激光應用系統開發的主力軍。

目前，公司開發的產品有以下五大系列：

White光子晶體系列產品

為了方便將White光子晶體集成到各種激光光路中，公司還研發出White-Box產品設計，作為快速應用白光激光的解決方案，普及白光激光。

White Box 產品設計方案

充分利用好白光激光技術，必將給社會帶來更多的、更加精準的應用系統，推動社會生產力的進步。快速將科技成果成功轉化，除了自身的努力之外，還需要與各種社會資源通力合作。

白光激光技術團隊，在李志遠帶領下，將繼續朝著White光子晶體深層研發和白光激光產業化的道路堅定地走下去。可以展望，不久的將來就會有配備白光激光技術的應用系統誕生。

來源：http://www.oeshow.cn