导语:
现存的技能一向有一个短板，便是只能宣布单一波长或许窄频带的光。如何将激光的频率扩展构成超宽带、超接连，包含紫外、可见和红外波段的相干白光激光，仍然是人类没有完成的愿望，是个国际规划内的科技难题。这是因为由光学谐振腔、增益介质和泵浦源构成。激光器波长是由增益物质中原子、分子或许离子的能级结构决议的，因为自然界资料在增益频率规划和增益带宽有很大的局限性，激光器不能发生恣意波长的激光。
究竟会不会创造出这种完美的白激光?它的呈现又能给激光的运用带来哪些革新和开展呢?
一、太阳光
众所周知，万物成长靠太阳，太阳光为地球带来光和热。人们所了解的太阳光是一种白光，其频谱包含了紫外-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，包含了红橙黄绿青蓝紫七种色彩，并且在光谱上接连散布和过渡。因为太阳光是白光，所以在雨后的天空常常会看到彩虹，或许太阳光通过一个玻璃三棱镜会呈现七种色彩的光带(图2)，这是人们日常日子中的遍及经历。
人们不那么了解的一件事是，太阳光是一种彻底非相干光。体现在空间相干性方面，太阳光不能准直，高度发散，在时刻相干性方面，太阳光不同色彩之间没有任何的相位相关和确定。因而太阳光只能用来发生能量，运用于取暖、热水器、太阳能电池等方面。可是，太阳光用来传递信息等现代科学技能的运用，就显得力不从心。
图1. 太阳光光谱散布图。包含太阳本身的黑体辐射光谱图、入射到地球的太阳光光谱图、因为大气水分及二氧化碳的吸收而抵达海平面的太阳光光谱图。
图2. 太阳光通过玻璃三棱镜后，构成红橙黄绿青蓝紫七种色彩的接连散布和过渡的五颜六色光带，标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，人类的又一严重创造。激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特色，其归纳功用远超越传统的太阳光、白炽灯、日光灯、LED灯等光源，是人类运用光的信息和能量的革命性办法。自1960年梅曼创造第一台激光器(红宝石激光器)以来，在曩昔50年中，激光技能取得了巨大的开展，取得了巨大的效果，在人类社会的多个范畴发挥着重要的运用作用。激光技能的开展一日千里，从前期的气体激光器(氦氖激光器)，高功率二氧化碳激光器，，可调谐染料激光器，，纳秒和皮秒，到近期的和飞秒脉冲激光器，激光器宗族成员越来越多，各方面的功用(光束质量、形式形状多样性、脉冲宽度、峰值功率、平均功率、空间相干性、时刻相干性等)不断进步。激光技能的运用规划也是越来越广阔，现已成为科学研讨、国防军事、照明、光纤通讯、信息传感、存储和显现、工业出产、生物医学、环境检测等方面不行或缺的东西，并且极大地推进着这些运用不断走向新的水平缓台阶。
可是，现存的激光技能一向有一个短板，便是只能宣布单一波长或许窄频带的光。如何将激光的频率扩展构成超宽带、超接连，包含紫外、可见和红外波段的相干白光激光，仍然是人类没有完成的愿望，是个国际规划内的科技难题。这是因为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、分子或许离子的能级结构决议的，因为自然界激光晶体资料在增益频率规划和增益带宽有很大的局限性，激光器不能发生恣意波长的激光。
1961年创造的非线性频率转化技能(倍频、和频、差频、参量扩展等)能将一个质量优异的激光器的某一个固定波长的激光输出，通过非线性晶体资料转化到很难或底子不或许直接得到的波长区间，因而，非线性频率转化技能是拓宽激光输出波长的重要手法，而非线性晶体资料是该技能的根底。非线性频率转化要求相位匹配，在相位匹配的条件下，非线性进程能够取得最大转化功率。双折射匹配和准相位匹配是两种常用的相位匹配技能，适用于不同的激光体系。可是，因为现在一切的非线性晶体的色散效应，非线性进程中的相位匹配一般不能得到自动满意，在双折射匹配和准相位匹配技能下，非线性晶体资料的频率转化规划及带宽仍然存在很大的局限性。事实上，现在已有的激光器体系所发生的激光远远不能包含一切的波段，许多重要的波利益并没有相应的激光器。别的，激光器的带宽也是有限的，最好的钛宝石器也只能掩盖300nm的规划，且其中心波长在800nm。自激光创造和非线性光学诞生50年以来，没有任何计划能够发生实在含义上的白光激光。
当今年代，各个发达国家都将非线性光学晶体、器材及运用放在优先开展的方位，并作为一项重要战略办法列入各自的高技能开展计划中，给予高度重视和支撑。就非线性光学晶体、器材及运用整个范畴的科技水平来看，发达国家如美国、英国、德国、日本等居于国际前列，从开始的原理提出、新资料的探究、器材的开发、整机设备等，他们都作出了重要的贡献。作为工业大国，在大规划出产的非线性光学晶体如LiNbO3等占有独占位置。在器材制作方面，因为全体技能力量强，工业根底好，美、欧等发达国家占有决议性的优势位置。
我国在非线性光学晶体范畴占有重要的位置，多种非线性光学晶体的成长技能居国际先进水平，国外已有的一切晶体成长办法我国都有，简直一切重要的非线性光学晶体都已成长出来，一些重要晶体满意了国内严重工程需求，一批高技能晶体已成为产品。《国家中长期科学和技能开展规划大纲(2006-2020年)》中清晰将“激光技能“列为八大前沿技能之一，本项目面向《国家中长期科学和技能开展规划大纲(2006-2020年)》中的“激光技能”、“新资料技能”前沿技能，“凝聚态物质与新效应”科学前沿问题，因应国家科技开展的重要战略要求。
假如能够运用非线性光学晶体资猜中的各种非线性光学效应，成功地将激光的窗口扩展到紫外、可见、红外等规划，并且光谱接连散布，就如图1所示，就发生了所谓的白光激光或许太阳激光。这样的一种簇新的技能无疑将极大地进步激光技能的开展水平，极大地扩展激光器宗族的成员规划，极大地进步激光技能现有运用的水平，并诞生很多史无前例的簇新运用。因而，这样的技能将有着巨大的运用价值，其包含的全链条范畴是个数以万亿计的空白商场。
三、白光激光的长处及运用远景
白光、短波激光光源和超接连激光光源比较于一般的白光光源(如太阳光、白炽灯、白光LED灯等)，具有亮度高、峰值功率强、频率掩盖规划广等长处，在科学研讨、国防军事、照明、通讯技能、信息技能、工业出产、生物医学、环境检测等范畴有广泛的实践运用价值，取得了激烈的重视。
白光激光作为一种簇新的激光光源，具有方向性好、能量密度高、超接连的光谱、极大的带宽、灵活多样的中心波长、高度的时刻和空间相干性等多种多样的长处，将极大地拓宽激光技能的功用和运用规划。白光激光或许太阳激光是时空彻底相干的光，不只激光光束高度准直，不发散，并且能够聚集到极小的区域;不同色彩之间振幅和相位彻底确定，通过调控这些振幅和相位，能够为所欲为地改动激光的时刻脉冲形状，发生脉宽极短(飞秒及亚飞秒)的。这样的太阳激光将有或许完成光的能量在时空上的聚集和会聚两层效应，在细小区域和极短时刻内上释放出能量，然后构成极高的瞬时功率密度。
作为一种全新的激光光源，白光激光的运用包含根底科学研讨、通讯信息、工业出产、国防军事、生物医学和环境检测等。简略的介绍如下：
1、物理、化学和资料科学根底研讨
激光现已广泛运用在根底科学研讨上，包含物理、化学和资料科学的许多范畴，都需求通过激光和物质的相互作用，来取得微观国际物质的信息，然后了解原子、分子和固体、液体等资料的物质状况和特色，然后为到达知道微观国际并予以运用的方针。不同于现有的惯例的激光，白光激光具有超接连、超宽带、彻底相干的特性，使得其能够在一般激光力所不能及的很多范畴上发挥重要的不行代替的作用。这方面的运用聚集于国内外很多的研讨型大学和科研机构，经济效益和社会效益非常可观。
(1)高精度光谱学：原子、小分子、生物大分子、固体和液体资料等，有五光十色、多元化的能级，反映了电子运动、原子振荡、分子滚动等物质运动形状，它们的能量标准千差万别，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。常常选用各种激光光谱学手法和技能(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)来勘探这些物质运动的形状。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能够在多个波段，并各自掩盖一个广阔的超接连的波段， 因而，能够运用各白光激光来完成对物质的微观物理和化学进程以及资料物性的多模态勘探，取得各加丰厚多样的信息，然后对微观运动状况有各加深化细致的了解和了解。
(2)化学分子反响动力学：化学分子的反响动力学进程的时刻标准从几个皮秒一向到几个飞秒的广阔规划。白光的频谱规划远超越一般的钛宝石飞秒脉冲激光，这些相干的光谱成分通过相干组成技能可发生短至一个飞秒左右的，当然也能够发成长至皮秒乃至纳秒的激光脉冲。因而由白光激光衍生而出的超短脉冲激光可运用于勘探化学分子的反响动力学精细的信息。更为重要的是，白光激光的中心波长能够调理，意味着超短脉冲激光的中心波长也是能够调理的。因而能够针对特定化学分子的灵敏波段，挑选适宜的超短脉冲激光，来进行勘探和调查。
(3)多量子态调控：原子或许分子一般由许多微观运动状况，对应于许多能级。电子在这些能级之间能够通过量子跃迁来改动状况。每个量子跃迁需求某个频率的激光去驱动，一起驱动多个量子跃迁需求多个频率的激光一起去驱动。为了不打乱量子跃迁之间的相位，完成相干的多量子态调控，要求多路激光之间的相位有必要确定。因而，一般的多束不同波长的激光计划或许钛宝石超短脉冲激光计划力不从心。而本项目拟研发的白光激光能够担任这个难题。并且，因为其中心频率和光谱带宽都能够调理，有望适用于广泛的原子、分子和量子资料(量子态跃迁途径的数量、跃迁能级散布以及跃迁波段)的多量子态调控。
2、生物医学运用:
和一般激光相同，白光激光也能够运用于生命科学的研讨和生物医学确诊及医治。比方作为精细光谱学、超快动力学勘探、共聚集显微剖析、流式细胞仪等技能运用于蛋白质大分子生理功用的研讨，运用光学相干层析技能、拉曼光谱技能、非线性光谱技能作为生物医学的疾病确诊东西;也可作为越来越盛行的东西运用于、激光医学、光热医治等。作为超接连、超宽带、中心波长可调的白光激光在不少范畴有共同的优势。
(1)多模态生物成像和剖析: 因为人体细胞、安排和器官对光的呼应杂乱多样，其灵敏波段也多种多样，因而特别需求波长可变、超接连、超宽带、高功率的激光作为东西，运用光学相干层析技能、拉曼光谱技能、非线性光谱技能等勘探手法，来与人体疾病区域的安排和器官相互作用，取得各式各样的信息，然后得到多模态生物成像的意图。这对疾病的快速确诊和剖析将供给极为便当牢靠的技能手法。
(2)激光美容：激光美容运用激光与人体脸部等表皮安排相互作用，通过光热效应、光电效应、光化学反响等物理和化学进程完成对表皮冗余和病变安排的整理和去除。因为表皮安排的杂乱多样性，需求多种波长的高功率激光挑选性或许协同作用。因而，白光激光将发挥传统激光所不能做到的功用和作用。这方面的运用将走进老百姓的日常日子，使得白光激光这一新技能更多位置老百姓所了解、了解和认同。具有重要的经济和社会效益。
3、大气和环境监测运用:
跟着我国许多区域(如华北区域)的大气、水、土壤等环境要素日益遭到污染而不断退化，给广阔人民群众的日子和出产带来了巨大的负面影响，比方，华北和江淮广阔区域的雾霾逐步成为常态化的事物，环保的问题日益突出，理念日益家喻户晓。国家和社会对环保的投入越来越多，因而日益需求越来越强壮的环境检测技能和手法。激光技能作为光谱剖析的中心组成部分，现已在大气遥感和环境监测等方面发挥着越来越重要的作用，现已有等产品供给给环保部门。激光运用于环境检测的根本科学原理是和大气相互作用，激光将和大气中的各种物质成分(O2,N2,H2O、NO2, H2S, SO2, CO, CO2等)发生杂乱的物理和化学作用，发生的弹性(瑞利散射)和非弹性散射(荧光、拉曼、布里渊散射)的信号光将带着这些物质成分的内部量子态和化学结构信息，通过搜集这些光学信息，可取得它们的组分散布和丰都的信息，协助环保部门把握深化而具体的大气成分信息，给出相应的对策。一般的激光雷达运用单色激光作为勘探源，只能和特定的大气分子发生激烈的散射作用，而超接连、超宽带、高峰值功率的白光激光将能够一起和多种大气分子相互作用，一次性发生的光散射信息将极点丰厚，因而将能够极大地进步激光雷达监测大气质量的功用。
4、工业运用：
激光现已广泛运用于(切开、焊接、制作和、打标)、信息技能(激光防伪、全息信息存储、激光五颜六色显现、、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，将有它绝无仅有的工业运用范畴。
(1)五颜六色全息：术是一种运用非常广泛的纪录和再现物体描摹信息的技能，其原理是运用激光的干与效应(参阅激光光和物体反射激光的干与)，原则上可纪录物体的一切信息(视觉明暗信息(即反射振幅信息)和相位信息)。典型的运用是激光防伪和激光扫描仪(超声运用的条形码)，一般的全息片运用单色激光发生全息条纹，假如能够运用五颜六色激光或许白光激光发生全息干与条纹，原则上不只能够反映出物体的概括信息，并且能够反映出色彩信息。这是一种实在的物体全方位信息纪录和再现的技能。该技能不只大大进步了全息片所包含的信息量，进步激光防伪的牢靠性，添加信息被破解的难度，并且能实在地再现物体的三维信息及五颜六色信息。
(2)3D显现和虚拟现实技能：运用白光激光可完成五颜六色全息，完成物体3D信息的记载和再现。因而，有望运用于当今社会广泛重视却因为技能困难而迟迟没有发展的3D显现和虚拟现实技能。实践操作上，可参阅电影工业的技能，将运动物体的图画和信息记载在胶卷上，依照每秒钟16帧额速度记载，并依照相同的速度播映，就能够简略地完成拍电影和放电影两个进程。五颜六色全息3D显现也是相同的道理，只不过物体的3D图画(五颜六色及概括信息)存储在五颜六色全息片上，每秒16帧，然后运用白光激光照明五颜六色全息片，每秒16帧，就能够播映出具有彻底实在的3D五颜六色作用的图画来。将这样的技能与虚拟现实技能及增强虚拟现实技能结合，有望实在五颜六色的3D虚拟现实技能。
5、国防和军事运用：
激光既是信息的载体，也是能量的载体。两方面的特性都能够在国防和军事范畴找到很多的运用。作为能量的载体，激光能够运用于制作自动式红外成像和夜视仪，也能够作为高定向能量的运用于激光对立。别的还能够运用光电效应的原理，选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灵敏部件发生激光损害和损坏，然后完成炸毁敌方军事方针的意图。在这方面，超接连、超宽带、高功率的白光激光有共同的优势，因为其光电效应的频率窗口巨大，很简单对多种光学灵敏器材(一般一种光学器材有一个灵敏波长)进行物理和化学反响。别的，白光激光峰值功率巨大，当和光学灵敏器材发生共振相互作用时，将发生巨大的损坏作用。这个技能特别适用于对敌方卫星进行搅扰和损坏。
作为信息的载体，激光可运用于自由空间的通讯，特别适用于光纤通讯所不能触及的区域，如太空和海洋内部。因为白光激光具有广阔的波段，作为通讯东西其包含的信息量可远大于一般的单色激光，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、白光激光的创造
2015年李志远教授带领“晶之彩”科研团队，创造了一条原创性的科学思路和技能计划。运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(如图3所示)，能够发生高功用的白光激光。白光激光晶体资料具有多个超宽带倒格矢散布的特色，可完成多波段超宽带准相位匹配的问题。运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，在单块晶体中完成了二到八次谐波的一起发生，从而发生超接连的相干白光激光。其波长包含紫外、可见和近红外波段，能量转化功率超越18%。该白光激光晶体，彻底是全球创始的超资料晶体，它的呈现改动了以往只能转化单一频率或许有限几个频率的晶体约束，一起针对多个范畴大大地拓宽了激光的运用规划，是具有革命性含义的新资料，白光激光的创造，填补了非线性光学和激光技能的空白。白光激光的创造及研讨效果宣布在国际光学和物理学威望期刊上，并申请了我国国家创造专利。因为明显的原创性而当选2015年度“我国光学重要效果”。
因为刚刚将可发生白的非线性晶体的科技效果转化为工业化产品，晶之彩团队尚处起步阶段，资金和人才困扰并阻止了白激光的快速推行和运用;可是这些都无法阻遏晶之彩科技人员研发白激光发生器的方针和决计。
信任不久的将来，在李志远教授带领下的晶之彩团队必定会给全球激光界再一个惊喜，国际上第一台实在含义上的白激光发生器诞生，为国际贡献完美的新式DD-白激光!
图3. 铌酸锂白光的封装实物图
一个高质量白光晶体样品输出光束的形状坚持了泵浦光的形状，为圆形的高斯光束。光束的色彩相片如图4所示，为抱负的白光。该白光光束通过光栅分光后，构成艳丽的五颜六色条带，如图5所示，从右到左依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。标明白光激光晶体输出的激光为高功用的彻底相干的超接连白光激光。别的，该光束保留了泵浦激光光束的优异的时刻和空间相干性。
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摄影图
图5. 白色激光光束通过光栅分光后的五颜六色条带散布的照相机摄影图
