白激光與准白激光，你能分清嗎？

作者：胡曉光 南京晶之彩材料科技有限公司

白光激光是各國科學家重點研發的對象，它不但能拓展激光應用新領域，也是誕生新科技的基礎。非線性晶體的研究是白光激光研發的重要環節，但在研發過程中，人們往往忽略了輸出的白光激光所應具備的激光特性，沒有真正做到「激光進，激光出」的效果（指激發激光通過照射非線性晶體，產生的白激光應當具備激光的所有特性，是真正的激光），導致白光激光喪失了激光的許多優良特性，阻礙了白光激光的應用和發展歷程。

現在，白光激光已經應用於部分領域，產生白光激光的方法很多。

如何正確理解現在已經誕生的白光激光？

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造出來呢？

白激光因具備傳統激光所沒有的優點，已在很多領域已得到應用。

白激光產生方式多種多樣，眾多科學家對白激光技術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、藍三基色形態存在；因其獨特的「三好一高」（單色性好，相干性好，方向性好，亮度高）特性，在眾多領域得到廣泛應用。

由於受激光器產生激光的限制，導致了激光單色性好的特性，但這也成為激光在應用領域的短板；激光器不能夠產生任一波長的激光，也不能產生超連續、超寬頻的激光。而在激光應用領域，人們對激光的頻率（或波長）有不同的需求，這時候就要藉助非線性晶體的幫助。但很多波段的激光依然不能夠被創造出來。

目前非線性晶體只能產生有限範圍波長的激光。波長範圍窄的激光，相對於超寬譜的白光激光而言，它所能承載的能量和信息量遠遠小於後者。因此全相干、超連續、超寬頻、覆蓋太陽光譜的白激光成為各國科學家的重點研究對象。白激光的研發，也將給激光的應用領域帶來革命性的變革和顛覆。

在現實生活中，人們對白光激光最直觀的認識是激光顯示技術和照明技術，它們都需要應用覆蓋可見光譜所有波長的激光――白光激光。除此外，依據激光光子能夠攜帶能量和信息這一特性，白光激光較波長範圍窄的單色激光更加有優勢，可以作為光通訊和高功率切割的替代光源。

2014年，在諾貝爾頒獎典禮上，藍光之父，諾貝爾獎獲得者中村修二說：「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驗室」在深圳成立。中村修二――LED照明的創始者，如今他要親手顛覆自己創建的LED照明的帝國。

作為下一代顯示技術，激光顯示也受到科技界、企業界共同關注。相比於傳統的顯示技術，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先優勢，極具產業化前景；中國眾多企業紛紛掀起激光電視熱，相關產品已經上市。

從根源看，白光激光光源的研發和獲取，是白激光應用的根本前提。

早在2004年，南京大學研究小組把雙波長激光技術和光學超晶格頻率轉換技術結合在一起，首次獲得了530 mW的白激光輸出。但獲取方案複雜，基波源是一台雙波長輸出激光器，非線性晶體是一塊級聯結構的光學超晶格，通過對2條基波紅外譜線進行倍頻和三倍頻得到紅綠藍三基色光，並通過調節晶體溫度等參數來調節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，性能還極其不穩定。

無獨有偶，2011年美國桑迪亞國家實驗室利用四台分立的大型激光器產生出了高質量的白光激光。但這些分立的大型激光器並不適合於照明或顯示設備等實際應用。該團隊又通過研究半導體材料從而實現了可見激光的調諧輸出，並可通過調節紅綠藍三基色光的功率比例，複合成白激光。2015年，他們宣布世界第一台白光激光器在美國誕生。

研發者說：「激光具有較高的單色性，與普通光源相比，激光器發出的全部光輻射只集中在較窄的頻率範圍內。因而按照常理來說，白激光是不可能發出的。然而，我們通過調節紅綠藍三基色激光的強度比例，使三基色相遇，產生了白激光，使不可能變成了可能。可以說，白激光是整個可見光譜的複合光。」由此可見，美國誕生的世界第一台白光激光器產生的白激光是基於三基色激光的複合激光。

圖為白光激光器發光原理圖，該裝置主要由三個平行放置的納米三原色激光器構成。通過調節紅、綠、藍激光的強度便可產生可見光及白光。

圖片來源：ASU/Nature Nanotechnology

目前，產生白激光的方法多種多樣，但究其根源，大多都離不開傳統激光――紅綠藍三基色激光的身影。

除上述方法外，光子晶體光纖白光激光器也可產生高功率、寬頻、超連續的白光激光。它產生的白光激光主要應用於光電流顯微檢測、納米光子學、熒光光譜與成像、超分辨成像、光學相干斷層掃描等眾多領域。

白光激光具有傳統激光所沒有的特性，彌補了傳統激光的不足；白光激光光源的研發能帶來更多領域的變革和發展，併產生新的科學領域，以及新的應用；因此，它必然成為眾多科學家追逐研究的對象。

美國宣布第一台白激光器的誕生後，為什麼又沉寂多年而得不到實際應用？

光子晶體光纖白激光器為什麼沒有廣泛地普及和應用？

在解答這些問題答案之前，讓我們再認識一下什麼是激光，以及激光器的2塊重要晶體：激光晶體和非線性晶體。

激光是通過受激發射光擴大而產生的，具有良好的單色性、空間相干性和時間相干性、方向性好，亮度極高。

激光的這四個特性，表明激光在很大的相干體積內具有很高的相干光強。相干性是激光的一個重要特徵。「傳統激光與白激光相比，我們排除單色性（因為白光沒有單色性），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塊關鍵的晶體――激光晶體和非線性晶體。在實際應用中，人們需要不同波長範圍的激光，激光器提供給人們實際應用所需的激光波長，取決於非線性晶體；「激光晶體提供激發激光，通過激發非線性晶體而獲取所需波長的各種激光」。

據此，我們得出結論，白光激光作為一個獨立的激光光源，如果通過非線性晶體產生，那麼，它必定擁有激光的所有特性。

查閱NATURE上發布的相關信息《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，美國白光激光器產生的白激光，是基於三個平行段的半導體材料，它們分別產生可調的三基色激光，最後複合而成為白色激光。 並且文章還闡述了製作產生白激光的三塊平行增益介質是如何的困難。

看到這裡，我們有一個重要的概念要提醒大家：不同的非線性晶體，不能夠產生相干性一樣的激光。因此，由3塊不同半導體材料產生的白激光，在相干性方面，表現為相干性不一致。

於是有如下的結論：美國白激光，因為相干性不一致，因此，不具備完美的激光特性。而且產生白激光的增益介質製作工藝複雜，阻礙了白激光器的推廣。

在《基於光學超晶格和全固態激光技術的准白光激光器》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良特性的白激光給了一個科學的冠名「准白光激光」。准白激光欠缺了激光的許多優良特性，不屬於完美的白光激光，不是真正意義上的白光激光。

光子晶體光纖激光器產生的白激光，雖具備高功率、寬頻、超連續等特性，但是，「脈衝在光纖傳輸產生白激光的過程中，受到雜訊的影響，最後得到的超連續譜的相干性也受到影響。如果將超連續譜作為寬頻光源用於醫學、計量學和光脈衝壓縮等領域，其必須有良好的相干性，因此相干性好壞也是衡量超連續光譜的一個重要方面」（《基於光子晶體光纖的超連續譜相干性研究》作者姚當）。由此可見，光子晶體光纖激光器雖然能夠產生白激光，因其相干性被破壞，也不能算是優質的激光光源。這或許就是它應用範圍受阻的一個重要原因。

我們認為，相干性欠缺的光子晶體光纖激光器產生的白激光，也屬於「准白激光」。

如何定義正真意義上的白光激光？

白光激光的特性

首先，真正意義上的白光激光，應具備傳統激光除了單色性以外的所有激光特性，同時還應該具備傳統激光所沒有的優良特性。

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。

我們認為，真正意義上的白光激光，應該是具有和太陽光譜一致，具備全相干性、超連續、超寬頻、方向性好、亮度高、涵蓋紫外、可見、紅外的激光。

創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、超寬頻、方向性好、亮度高的白光激光？

產生白光激光的非線性晶體和產生的白光激光實景

曹閏禹博士在《解析：為什麼創造白色激光的難度很大？》一文中闡述了創造白光激光的難度。縱觀上面所列舉的科學家研發白光激光的方法和渠道，你會發現他們都有一個相同點，所有研發團隊都沒有跳出紅綠藍三基色傳統激光的思維圈子。雖然大家都在致力研發非線性晶體，希望從中找到突破，但忽略了一點，那就是不同的非線性晶體產生的激光的相干性不一致。

基於傳統三基色激光研發出來的白光激光，以及光子晶體光纖激光，在相干性方面有嚴重缺失，喪失了很多激光的優良特性，因此不能作為一個獨立的、真正意義上的激光光源，我們只能把它列為準白激光範疇。

2015年，中科院物理所李志遠率領的科研團隊，跳出傳統思維，第一次在白光激光非線性晶體研發上取得突破，誕生了全相干、超連續、超寬頻的真正意義上的白激光。

該團隊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後，能產生完美的太陽光譜激光，並且這種激光具備了全相干、超連續、超帶寬的特性，正真做到了「激光進，激光出」的效果，是完全獨立於傳統三基色激光之外的獨立的激光。而且在其所產生的波段範圍內，能創造出任意波段所需要的激光，彌補了傳統激光器不能創造任意波段激光的欠缺。

李志遠團隊所研發的非線性晶體，不需繁冗複雜的龐大儀器設備，小型輕便，無需安裝調試，適合於對接各種激光器，便於各科研院所、大專院校以及企業使用。

當白光激光真正具備激光的所有特性，並擁有傳統激光所沒有的優勢特性的時候，才能在更廣泛的科研、生產應用中發揮白光激光的作用。

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範圍的使用，白光激光能夠真正服務於社會，推進科技進步。

來源：http://www.oeshow.cn