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白色激光能给激光应用带来什么变化和发展

作者:handler发布时间:2021-07-20 11:22点击:967

  现有的激光技术总是有一个短板,它只能发出一个单一的波长或窄带的光。如何扩大激光频率,形成覆盖紫外、可见光和红外波段的超宽带、超连续、相干白激光,仍是人类尚未实现的梦想,是一个世界性的科技难题。这是因为激光器由光学谐振器、增益介质和泵浦源组成。激光波长由增益材料中原子、分子或离子的能级结构决定。由于天然激光晶体材料在增益频率范围和增益带宽上的限制,激光不能产生任何波长的激光。

  这个完美的白色激光会被创造出来吗?它能给激光应用带来什么变化和发展?

  一、阳光

  众所周知,万物都是靠太阳生长的,太阳给地球带来光和热。人们熟悉太阳光是一种白光,其光谱覆盖了紫外可见光近红外中红外波段。如图1所示,可见波段(400-700nm)的辐射能量最强,覆盖红、橙、黄、绿、蓝、紫七种颜色,在光谱中连续分布和透射。因为阳光是白色的,雨后天空中常有彩虹,或者阳光通过玻璃棱镜时有七种颜色的光带(图2),这是人们日常生活中的常见体验。

  人们不太熟悉的一件事是阳光是一种完全不相干的光。在空间相干性方面,太阳光不能被准直和高度发散。在时间相干性方面,不同颜色的太阳光之间不存在相位相关和锁定现象。因此,阳光只能用来发电,用于供暖、热水器、太阳能电池等方面。然而,现代科学技术的应用,如利用太阳光来传递信息,却显得力不从心。

  二,激光

  自20世纪以来,激光是继原子能、计算机和半导体之后人类的又一项重大发明激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点。其综合性能远远优于传统光源如日光灯、白炽灯、荧光灯、led灯等。它是人类利用光的信息和能量的一种革命性的方式。自1960年迈曼发明第一台激光器(红宝石激光器)以来,近50年来,激光技术取得了巨大的进步和成就,在人类社会的许多领域发挥了重要作用。随着激光技术的迅速发展,从早期的气体激光器(He-Ne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,到最近的光纤激光器和飞秒脉冲激光器,越来越多的激光器家族成员,其性能(光束质量、模式分集、脉冲宽度、峰值功率、平均功率、空间相干性、时间相干性等)不断提高。激光技术已成为科学研究、国防军事、照明、光纤通信、信息传感、存储显示、工业生产、生物医学、环境检测等方面不可缺少的工具,极大地推动了这些应用迈上了新的台阶。

  然而,现有的激光技术总是有一个短板,它只能发出一个单一的波长或窄带的光。如何扩大激光频率,形成覆盖紫外、可见光和红外波段的超宽带、超连续、相干白激光,仍是人类尚未实现的梦想,是一个世界性的科技难题。这是因为激光器由光学谐振器、增益介质和泵浦源组成。激光波长由增益材料中原子、分子或离子的能级结构决定。由于天然激光晶体材料在增益频率范围和增益带宽上的限制,激光不能产生任何波长的激光。

  1961年发明的非线性变频技术(倍频、和频、差频、参量放大等)可以通过非线性晶体材料将高质量的激光转换成一定的固定波长因此,非线性频率转换技术是拓宽激光输出波长的重要手段,而非线形晶体材料则是这项技术的基础。非线性变频需要相位匹配。在相位匹配条件下,非线性过程可以获得最大的转换E。