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为什么创造白色激光的难度很大?
点击次数:196 发布时间:2017-02-13

科学家之前已创造出红色、蓝色、绿色以及其它可见颜色的激光,但同时发射出红色、蓝色、绿色的激光被证明难度很大,因为需要组合差异巨大的半导体组件。

亚利桑那州立大学的科学家和工程师创造出白色激光后,论文发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。论文中写道,“尽管过去的研究已经创造了红色,蓝色,绿色以及其他波段的激光器,但通常每一种激光器都只发射一种颜色的光。创造一个能够同时发射红色、绿色和蓝色的整体装置是十分困难的,因为这要求把各种不同的半导体结合到一个芯片上去。然而把这些不匹配的晶体们一个挨一个的放在一块会导致一些致命的缺陷。”

这句话已经很清楚的解释了为什么其所谓的“White Laser”是非常难以被创造的。其实这句话也说明了这个“White Laser”的根本原理,简单来说就是克服了这个困难,把几个不同的晶体融合到了一个薄片上,用这个薄片作为工作物质去获得红、绿、蓝三种颜色的激光,当然也就可以获得各种波长的激光了。真正的难点,说的很明确,并不是白色激光如何而来,而是我们知道白色激光怎么创造(用红绿蓝三原色去叠加),而且知道怎么实现(把三种工作物质放在一块作为整个激光器的工作物质),而这个实现过程异常的艰难,也就是说,把这三种工作物质叠加到一个芯片上非常的困难。

下面再来看看到底该怎么理解这个所谓的White Laser。

首先我们需要了解到底什么是激光,激光是怎么产生的。Laser,来源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射光放大)的缩写,laser我们可以理解为激光,也可以理解为激光器。激光器主要是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成的,这也是激光产生的必备条件。

那么激光是如何产生的?我们知道,在自然界中,任何发光的过程必须经过两个阶段--自发辐射和受激吸收。当原子受到外来能量,比如光能、电能等,处于低能级的电子会吸收能量从而跃迁到高能级,这就是受激吸收过程。电子跃迁到高能级后,由于能量高不稳定,它们只能停留极为短暂的时间,大概在10^-9s数量级,就会又向低能级跃迁。此时的跃迁过程有两种,一种是自发进行的,叫做自发辐射。自发辐射会造成两个结果,一种散发出热能传递给其他粒子,这种形式不会发出光,叫做无辐射跃迁;另一种会辐射出一个光子,光子频率由能极间能量差决定,这便产生了光。普通的光源基本是由受激吸收和自发辐射产生的,光源源源不断的接受外界的能量,再源源不断辐射出光子,因此光源便发出了光。另一种是在外界因素的诱导下进行,叫做受激辐射。受激辐射也会向外辐射出光子,但与自发辐射不同的是,受激辐射会辐射出两个光子,这两个光子,一个是满足激发条件的诱导光子,另一个是电子从高能级跃迁到低能级释放出的光子。很不幸,这两个光子简直就是一模一样,而激发出的这两个光子又作为诱导条件,去激发别的处于高能级正准备向低能级的粒子,这样又得到4个一模一样的光子,接着4个变8个……激光便产生了。(其实激光产生的过程十分复杂,有很多必要条件,比如需要通过粒子数反转来克服受激吸收与受激辐射之间的各种矛盾等等,这里只是简述)简单来说,就是泵浦源引发工作物质中的粒子在谐振腔里不停地进行受激辐射,从而使光子累积,发射出激光。

从这个过程,我们可以很显然的看出激光的特性。因为受激辐射出的光子都是几乎一模一样(频率、传播方向、振动方向等)的,因此激光的相干性和单色性非常好。高相干性这里我们不讨论,单色性非常好,换句话说,波长很稳定。单模稳频的氦氖激光器发出波长λ=632.8nm,而谱线半宽度Δλ可以低于10^-12μm,也就是说其单色性可以达Δλ/λ=10^-10~10^-13量级。这是什么概念?普通光源单色性zui好的氪同位素86灯发出λ=605.7nm的光,其谱线半宽度Δλ=0.47*10^-6μm,单色性Δλ/λ=10^-6量级,请自行体会。其次我们应该知道什么是白光?  通俗来讲,把可见光波范围内的所有光波连续叠加在一起就构成了白光。

从这个角度,这篇Nature Nanotechnology所阐述的"White Laser"并不是严格意义上的白光激光器,因为它并没有直接发出白光,而是是由红、绿、蓝三种颜色的光合成的白光,我们可以把它理解为广义的白光激光器。实际上从根本原理来看,它产生的依然是单色性很高的激光,只是把三种波长的光叠加起来了,合成了“白光”。

总体来看,这篇Nature Nanotechnology的文章所提出思路的难点是如何克服种种困难将三种不同种类的半导体工作物质融合在一个小晶片上(纳米量级的厚度),使得受激辐射产生出的光子就会有三种不同的能量,也就有三种不同的频率,辐射出的光波便拥有了三种不同的波长。而这三种波长的光通过相互叠加能产生任何可见光波段的光,因此便构成了“White Laser”。这听起来so easy,但正如文章里所说,将不同的工作物质融合在一起本就是一个异常艰难的工作,再加上融合在一起后会有一些致命的缺陷,导致这件听起来很容易的事情一直到激光发明后55年才有人成功实现,这足以证明了这件事情的难度。

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