当前位置:

首页 » 行业新闻 » 热点资讯 » 正文

可产生超宽全谱激光的白光激光技术

来源:光电汇OESHOW

  发布:星之球科技

关键词:激光技术 传统激光

2018-01-04

 世界性的难题

传统激光的波长是由增益物质中原子、分子或离子的能级结构决定的,因此激光器不能产生任意波长的激光输出。随着非线性光学的发展,通过非线性频率转换技术,能将某一固定波长的激光输出通过非线性晶体材料,转换到很难或者根本不可能直接得到的波长区域;它已成为获得新波长相干光源的重要手段。
 
20世纪90年代,周期极化晶体制作工艺的成熟,以及外加电场极化法的出现,通过对二阶非线性系数进行空间调制来实现准相位匹配,使之成为具备周期性变化二阶非线性系数的非线性光子晶体。
 
非线性光子晶体利用准相位匹配技术,使得非线性系数较大、透光范围较宽而无法实现常规相位匹配的晶体能高效转换。该技术通过人为合理地控制畴反转周期,可实现理想的非线性相位匹配,使变频输出光的能量达到实际应用要求。
 
不断拓宽激光输出的频率范围和提高转换效率,是激光技术的发展趋势。超连续、超宽带、全相干的、具备太阳光谱的白光激光,不失为一种完美的激光光源。
 
但是,白光激光是否可以被创造,取决于是否可以创造出一种晶体制造技术,确保该晶体能够保障多级次非线性频率上转换过程能够同时高效率产生,这样就可以产生极宽带、多阶次高次谐波。目前这还是世界性的难题。
 
解决这一世界性难题,不仅可以诞生一种新型非线性光子晶体超材料,而且,还能够产生超宽带、超连续、全相干的新型超宽谱激光光源----真正意义上的白光激光。它将对人类社会利用激光光源改造世界,产生深远和革命性的影响。
 
 
攻克这一难题,还能解决激光的高转换效率问题,打破人们长期以来依赖单谱线或窄带宽激光进行工作的禁锢。例如,不需要多台激光器设备,仅仅通过一块晶体就使多谱线激光协同工作成为现实;超宽谱激光应用系统也将在更加广阔的领域真正得到创新应用和发展。
 
这种新的非线性光子晶体超材料技术的诞生,意味着把传统上需要多块晶体级联才能完成的任务,通过单片晶体的设计,以更加高效、简单的方式完成;传统飞秒脉冲激光器也将朝着低成本化、操作简易化、体积小型化方向发展。
 
“白光激光技术”的诞生
 
面对世界性难题,时任中科院物理所光学重点实验室副主任的李志远研究员认为,超连续、超宽带和全相干的白光激光光源,不但要求所有颜色的激光本身都是相干激光,而且,所有颜色的激光之间都彼此相干;这两个必要条件缺一不可。
 
如果从传统思维方式去单纯寻找破解思路,就要求抽运光有极宽的带宽,同时二次谐波产生(SHG)变频过程也要求有极宽的带宽;目前所有的非线性晶体和非线性超晶格材料都不可能做到。
 
如果继续沿用传统的定向思维去研发新的非线性晶体,也是不可取的。一块传统的非线性晶体,需要耗费大量人力和物力去研发它,时间成本和资金成本都很大。例如,LBO晶体和BBO晶体,就耗费了福建物构所前后三代人去研发,而一块LBO晶体的生长周期需要2-3个月,一个BBO晶体的生长周期更长,需要3-4个月。
 
李志远认为有必要另辟蹊径,用一种全新思路和方法去攻克这一难题。
经过缜密思考和推算,李志远给他的团队定下了研究方向和研究思路;将激光技术和非线性技术结合起来,改造非线性晶体内部的构造,保障多级次非线性频率上转换过程能够同时高效率产生,就可以产生极宽带多阶次高次谐波,最终获取超宽带、超连续、全相干的白光激光。
 
 
 
最终,于2015年,通过宽带级联倍频和和频技术的全新的学术思想,采用多级次、超宽带准相位匹配的解决方案,简单、通俗、易行、高效地解决了这一个世界性难题,填补了世界性激光技术的空白。
 
激光技术和非线性技术相结合,因能产生350-2000 nm全谱激光光源,因此,李志远形象地把这种技术称为白光激光技术。
 
这一世界首创的技术不仅在当年得到中国光学学术界的认可,还获得“中国光学重要成果奖”,同时2项发明专利也申请获批。
 
激光超材料white光子晶体
 
李志远团队利用白光激光技术,通过对非线性晶体铌酸锂晶体的改造,使普通的非线性光子晶体,成为可产生白光激光的超材料(超材料,是指人为设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料),并把它命名为White光子晶体。
 
 
利用准相位匹配原理,对铌酸锂晶体材料内部的铁电畴实施极化,极化图案为啁啾结构,最终诞生的White光子晶体,它是准相位匹配理论与实践完美结合的产物。输出谐波做到了2到8阶同时输出;产生的白光激光,分色后得到彩色连续光谱。
 
备制一块White光子晶体,所耗费的时间成本和资金成本,都远远小于传统非线性晶体的研发和制造;制造流程和工艺也符合产业化要求。
 
 
 
White光子晶体,采用的输入源是中红外飞秒脉冲激光抽运源,输入源还可扩展为近红外飞秒脉冲激光抽运源,以扩大飞秒脉冲白光激光的输出功率。在掌握白光激光技术后,团队将持续深入研发功能更加强大的White光子晶体芯片。
 
White光子晶体不仅仅可以产生白光激光,通过定制,还可以产生社会生产生活中所需的各种波长和带宽的激光。这项技术终结了传统激光器不能产生任意波长激光的历史,从而扩大了激光家族,对激光应用系统的创新开发和市场规模的扩大,将起到深远的影响。
 
从实验室走向产业化
 
李志远创立的单片设计理念,把传统上需要多块晶体级联才能完成的工作,简化到单片White光子晶体里,通过对单片晶体的设计,以更加高效、简单的方式去完成;为激光器的简易操作和小型化奠定了基础。
 
White光子晶体可依据客户需求和应用场景进行定制任意波长和带宽的激光,这一功能极具市场潜力。
 
将科技成果转化,才能真正体现白光激光技术的价值。2016年,李志远率领的团队在南京成立了南京晶之彩材料科技有限公司,向产业化发展迈出了第一步。
 
在公司成立之后的一年多时间里,团队研发的White光子晶体芯片,使之更加符合日常生产、生活中的需求;并设计了适合White晶片批量化生产的工艺流程;完成了与之相匹配的飞秒脉冲白光激光器的前期研发工作,配备白光激光技术的飞秒脉冲激光器将成为白光激光应用系统开发的主力军。
 
目前,公司开发的产品有以下五大系列:

 

 
为了方便将White光子晶体集成到各种激光光路中,公司还研发出White-Box产品设计,作为快速应用白光激光的解决方案,普及白光激光。
 

 

White Box 产品设计方案
 
充分利用好白光激光技术,必将给社会带来更多的、更加精准的应用系统,推动社会生产力的进步。快速将科技成果成功转化,除了自身的努力之外,还需要与各种社会资源通力合作。
 
白光激光技术团队,在李志远带领下,将继续朝着White光子晶体深层研发和白光激光产业化的道路坚定地走下去。可以展望,不久的将来就会有配备白光激光技术的应用系统诞生。