今天我要給大家介紹一篇最近發(fā)表在《高級(jí)光子學(xué)》雜志上的論文，作者利用水和鋰鈮晶體的非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一種新穎的白光激光器，具有超寬帶、高能量和高光譜平坦度的特點(diǎn)。這種白光激光器有著廣泛的應(yīng)用前景，比如生物成像、飛秒化學(xué)、通信、傳感和超快科學(xué)等領(lǐng)域。

那么，什么是白光激光器呢？白光激光器是一種能夠發(fā)射包含可見光范圍內(nèi)所有顏色的光的激光器。我們知道，可見光是由不同波長的電磁波組成的，波長越短，顏色越靠近紫色，波長越長，顏色越靠近紅色。當(dāng)我們把不同波長的光混合在一起，就會(huì)產(chǎn)生白色的光。所以，白光激光器就是一種能夠同時(shí)發(fā)射不同波長的光的激光器，而且這些光的強(qiáng)度要比較均勻，也就是說，光譜要比較平坦。

這樣的白光激光器有什么好處呢？好處就是，它可以提供更多的信息，更高的分辨率，更好的靈敏度，更快的速度，更低的成本，等等。比如，如果我們用白光激光器來照射一個(gè)物體，我們就可以同時(shí)觀察到它的各種光譜特征，從而更好地分析它的結(jié)構(gòu)、成分、狀態(tài)等。如果我們用白光激光器來進(jìn)行光學(xué)通信，我們就可以利用它的多波長特性，增加信道的容量，提高傳輸?shù)乃俾剩档托盘?hào)的失真，等等。

那么，如何制造白光激光器呢？目前，最常用的方法是利用光的非線性效應(yīng)，也就是說，當(dāng)光的強(qiáng)度非常高的時(shí)候，它會(huì)和介質(zhì)發(fā)生一些非常復(fù)雜的相互作用，從而改變光的波長、相位、極化等特性。其中，有兩種非線性效應(yīng)對(duì)于白光激光器的制造非常重要，分別是三階非線性效應(yīng)和二階非線性效應(yīng)。三階非線性效應(yīng)是指光的極化強(qiáng)度和光的電場(chǎng)強(qiáng)度的三次方成正比的效應(yīng)，它會(huì)導(dǎo)致光的自相位調(diào)制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會(huì)使光的波長發(fā)生變化，從而產(chǎn)生超連續(xù)譜（SC），也就是一種包含很多不同波長的光的譜。二階非線性效應(yīng)是指光的極化強(qiáng)度和光的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比的效應(yīng)，它會(huì)導(dǎo)致光的二次諧波產(chǎn)生（SHG）等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會(huì)使光的波長變?yōu)樵瓉淼囊话耄瑥亩a(chǎn)生高頻的光。

那么，如何利用這兩種非線性效應(yīng)來制造白光激光器呢？這篇論文的作者提出了一個(gè)非常巧妙的方法，他們首先用一個(gè)強(qiáng)大的鈦寶石飛秒激光器作為泵浦光源，這個(gè)激光器可以發(fā)射出持續(xù)時(shí)間為 50 fs，能量高達(dá) 4 mJ 的脈沖光。然后，他們用水作為三階非線性介質(zhì)，讓泵浦光通過水的一段長度，利用水的 SPM 和 SRS 效應(yīng)，產(chǎn)生了一束超連續(xù)譜的光。這個(gè)超連續(xù)譜的光的波長范圍從 600 nm 到 1200 nm，覆蓋了紅色到近紅外的區(qū)域。接著，他們用一個(gè)水浸泡的啁啾周期極化鋰鈮晶體（CPPLN）作為二階非線性介質(zhì)，讓超連續(xù)譜的光通過這個(gè)晶體，利用晶體的 SHG 效應(yīng)，產(chǎn)生了一束白光激光。這個(gè)白光激光的波長范圍從 413 nm 到 907 nm，覆蓋了紫色到紅色的區(qū)域，而且光譜非常平坦，10 dB 的帶寬達(dá)到了 494 nm，超過了一個(gè)八度。這個(gè)白光激光的能量為 0.6 mJ，相當(dāng)于每個(gè)波長的平均能量為 1.2 μJ。

這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)有很多，其中最重要的一點(diǎn)是，它避免了光的損傷和破壞。我們知道，當(dāng)光的強(qiáng)度非常高的時(shí)候，它會(huì)對(duì)介質(zhì)造成一些不可逆的損傷，比如燒蝕、裂紋、色心等。這些損傷會(huì)影響光的傳輸和非線性效應(yīng)的效率，甚至?xí)?dǎo)致介質(zhì)的完全失效。為了避免這些損傷，我們通常需要使用一些特殊的材料，比如光纖、晶體、玻璃等，來承受高強(qiáng)度的光。但是，這些材料的成本很高，而且它們的非線性系數(shù)很低，所以需要很長的長度或者很高的強(qiáng)度才能產(chǎn)生足夠的非線性效應(yīng)。而這篇論文的作者用水來代替這些材料，水的優(yōu)點(diǎn)是，它的非線性系數(shù)很高，而且它是液體，所以它不會(huì)受到光的損傷，而且它可以自動(dòng)流動(dòng)，保持新鮮。

這樣，就可以用很短的長度或者很低的強(qiáng)度就能產(chǎn)生足夠的非線性效應(yīng)。而且，水的折射率隨著溫度的變化而變化，這樣就可以通過調(diào)節(jié)水的溫度來調(diào)節(jié)光的相位匹配條件，從而優(yōu)化非線性效應(yīng)的效率。另外，水的吸收率隨著波長的變化而變化，這樣就可以通過選擇合適的波長來減少光的吸收損耗，從而提高光的輸出能量。這些都是水作為非線性介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。