一种新颖的白光激光器：水的巧妙应用

今天我要给大家介绍一篇最近发表在《高级光子学》杂志上的论文，作者利用水和锂铌晶体的非线性效应，实现了一种新颖的白光激光器，具有超宽带、高能量和高光谱平坦度的特点。这种白光激光器有着广泛的应用前景，比如生物成像、飞秒化学、通信、传感和超快科学等领域。

那么，什么是白光激光器呢？白光激光器是一种能够发射包含可见光范围内所有颜色的光的激光器。我们知道，可见光是由不同波长的电磁波组成的，波长越短，颜色越靠近紫色，波长越长，颜色越靠近红色。当我们把不同波长的光混合在一起，就会产生白色的光。所以，白光激光器就是一种能够同时发射不同波长的光的激光器，而且这些光的强度要比较均匀，也就是说，光谱要比较平坦。

这样的白光激光器有什么好处呢？好处就是，它可以提供更多的信息，更高的分辨率，更好的灵敏度，更快的速度，更低的成本，等等。比如，如果我们用白光激光器来照射一个物体，我们就可以同时观察到它的各种光谱特征，从而更好地分析它的结构、成分、状态等。如果我们用白光激光器来进行光学通信，我们就可以利用它的多波长特性，增加信道的容量，提高传输的速率，降低信号的失真，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线性效应，也就是说，当光的强度非常高的时候，它会和介质发生一些非常复杂的相互作用，从而改变光的波长、相位、极化等特性。其中，有两种非线性效应对于白光激光器的制造非常重要，分别是三阶非线性效应和二阶非线性效应。三阶非线性效应是指光的极化强度和光的电场强度的三次方成正比的效应，它会导致光的自相位调制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等现象。这些现象会使光的波长发生变化，从而产生超连续谱（SC），也就是一种包含很多不同波长的光的谱。二阶非线性效应是指光的极化强度和光的电场强度的平方成正比的效应，它会导致光的二次谐波产生（SHG）等现象。这些现象会使光的波长变为原来的一半，从而产生高频的光。

那么，如何利用这两种非线性效应来制造白光激光器呢？这篇论文的作者提出了一个非常巧妙的方法，他们首先用一个强大的钛宝石飞秒激光器作为泵浦光源，这个激光器可以发射出持续时间为 50 fs，能量高达 4 mJ 的脉冲光。然后，他们用水作为三阶非线性介质，让泵浦光通过水的一段长度，利用水的 SPM 和 SRS 效应，产生了一束超连续谱的光。这个超连续谱的光的波长范围从 600 nm 到 1200 nm，覆盖了红色到近红外的区域。接着，他们用一个水浸泡的啁啾周期极化锂铌晶体（CPPLN）作为二阶非线性介质，让超连续谱的光通过这个晶体，利用晶体的 SHG 效应，产生了一束白光激光。这个白光激光的波长范围从 413 nm 到 907 nm，覆盖了紫色到红色的区域，而且光谱非常平坦，10 dB 的带宽达到了 494 nm，超过了一个八度。这个白光激光的能量为 0.6 mJ，相当于每个波长的平均能量为 1.2 μJ。

这个方法的优点有很多，其中最重要的一点是，它避免了光的损伤和破坏。我们知道，当光的强度非常高的时候，它会对介质造成一些不可逆的损伤，比如烧蚀、裂纹、色心等。这些损伤会影响光的传输和非线性效应的效率，甚至会导致介质的完全失效。为了避免这些损伤，我们通常需要使用一些特殊的材料，比如光纤、晶体、玻璃等，来承受高强度的光。但是，这些材料的成本很高，而且它们的非线性系数很低，所以需要很长的长度或者很高的强度才能产生足够的非线性效应。而这篇论文的作者用水来代替这些材料，水的优点是，它的非线性系数很高，而且它是液体，所以它不会受到光的损伤，而且它可以自动流动，保持新鲜。

这样，就可以用很短的长度或者很低的强度就能产生足够的非线性效应。而且，水的折射率随着温度的变化而变化，这样就可以通过调节水的温度来调节光的相位匹配条件，从而优化非线性效应的效率。另外，水的吸收率随着波长的变化而变化，这样就可以通过选择合适的波长来减少光的吸收损耗，从而提高光的输出能量。这些都是水作为非线性介质的优点。