科學(xué)家之前已創(chuàng)造出紅色、藍(lán)色、綠色以及其它可見顏色的激光，但同時發(fā)射出紅色、藍(lán)色、綠色的激光被證明難度很大，因為需要組合差異巨大的半導(dǎo)體組件。
亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師首次創(chuàng)造出白色激光后，論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上。論文中寫道，“盡管過去的研究已經(jīng)創(chuàng)造了紅色，藍(lán)色，綠色以及其他波段的激光器，但通常每一種激光器都只發(fā)射一種顏色的光。創(chuàng)造一個能夠同時發(fā)射紅色、綠色和藍(lán)色的整體裝置是十分困難的，因為這要求把各種不同的半導(dǎo)體結(jié)合到一個芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個挨一個的放在一塊會導(dǎo)致一些致命的缺陷。”
這句話已經(jīng)很清楚的解釋了為什么其所謂的“White Laser”是非常難以被創(chuàng)造的。其實這句話也說明了這個“White Laser”的根本原理，簡單來說就是克服了這個困難，把幾個不同的晶體融合到了一個薄片上，用這個薄片作為工作物質(zhì)去獲得紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，當(dāng)然也就可以獲得各種波長的激光了。真正的難點，說的很明確，并不是白色激光如何而來，而是我們知道白色激光怎么創(chuàng)造（用紅綠藍(lán)三原色去疊加），而且知道怎么實現(xiàn)（把三種工作物質(zhì)放在一塊作為整個激光器的工作物質(zhì)），而這個實現(xiàn)過程異常的艱難，也就是說，把這三種工作物質(zhì)疊加到一個芯片上非常的困難。
下面再來看看到底該怎么理解這個所謂的White Laser。
首先我們需要了解到底什么是激光，激光是怎么產(chǎn)生的。Laser，來源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大）的縮寫，laser我們可以理解為激光，也可以理解為激光器。激光器主要是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成的，這也是激光產(chǎn)生的必備條件。
那么激光是如何產(chǎn)生的？我們知道，在自然界中，任何發(fā)光的過程必須經(jīng)過兩個階段－－自發(fā)輻射和受激吸收。當(dāng)原子受到外來能量，比如光能、電能等，處于低能級的電子會吸收能量從而躍遷到高能級，這就是受激吸收過程。電子躍遷到高能級后，由于能量高不穩(wěn)定，它們只能停留極為短暫的時間，大概在10＾－9s數(shù)量級，就會又向低能級躍遷。此時的躍遷過程有兩種，一種是自發(fā)進(jìn)行的，叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會造成兩個結(jié)果，一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子，這種形式不會發(fā)出光，叫做無輻射躍遷；另一種會輻射出一個光子，光子頻率由能極間能量差決定，這便產(chǎn)生了光。普通的光源基本是由受激吸收和自發(fā)輻射產(chǎn)生的，光源源源不斷的接受外界的能量，再源源不斷輻射出光子，因此光源便發(fā)出了光。另一種是在外界因素的誘導(dǎo)下進(jìn)行，叫做受激輻射。受激輻射也會向外輻射出光子，但與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射會輻射出兩個光子，這兩個光子，一個是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子，另一個是電子從高能級躍遷到低能級釋放出的光子。很不幸，這兩個光子簡直就是一模一樣，而激發(fā)出的這兩個光子又作為誘導(dǎo)條件，去激發(fā)別的處于高能級正準(zhǔn)備向低能級的粒子，這樣又得到4個一模一樣的光子，接著4個變8個……激光便產(chǎn)生了。（其實激光產(chǎn)生的過程十分復(fù)雜，有很多必要條件，比如需要通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等，這里只是簡述）簡單來說，就是泵浦源引發(fā)工作物質(zhì)中的粒子在諧振腔里不停地進(jìn)行受激輻射，從而使光子累積，發(fā)射出激光。
從這個過程，我們可以很顯然的看出激光的特性。因為受激輻射出的光子都是幾乎一模一樣（頻率、傳播方向、振動方向等）的，因此激光的相干性和單色性非常好。高相干性這里我們不討論，單色性非常好，換句話說，波長很穩(wěn)定。單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出波長λ＝632．8nm，而譜線半寬度Δλ可以低于10＾－12μm，也就是說其單色性可以達(dá)Δλ／λ＝10＾－10～10＾－13量級。這是什么概念？普通光源單色性最好的氪同位素86燈發(fā)出λ＝605．7nm的光，其譜線半寬度Δλ＝0．47＊10＾－6μm，單色性Δλ／λ＝10＾－6量級，請自行體會。其次我們應(yīng)該知道什么是白光？ 通俗來講，把可見光波范圍內(nèi)的所有光波連續(xù)疊加在一起就構(gòu)成了白光。
從這個角度，這篇Nature Nanotechnology所闡述的＂White Laser＂并不是嚴(yán)格意義上的白光激光器，因為它并沒有直接發(fā)出白光，而是是由紅、綠、藍(lán)三種顏色的光合成的白光，我們可以把它理解為廣義的白光激光器。實際上從根本原理來看，它產(chǎn)生的依然是單色性很高的激光，只是把三種波長的光疊加起來了，合成了“白光”。
總體來看，這篇Nature Nanotechnology的文章所提出思路的難點是如何克服種種困難將三種不同種類的半導(dǎo)體工作物質(zhì)融合在一個小晶片上（納米量級的厚度），使得受激輻射產(chǎn)生出的光子就會有三種不同的能量，也就有三種不同的頻率，輻射出的光波便擁有了三種不同的波長。而這三種波長的光通過相互疊加能產(chǎn)生任何可見光波段的光，因此便構(gòu)成了“White Laser”。這聽起來so easy，但正如文章里所說，將不同的工作物質(zhì)融合在一起本就是一個異常艱難的工作，再加上融合在一起后會有一些致命的缺陷，導(dǎo)致這件聽起來很容易的事情一直到激光發(fā)明后55年才有人成功實現(xiàn)，這足以證明了這件事情的難度。
亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師首次創(chuàng)造出白色激光后，論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上。論文中寫道，“盡管過去的研究已經(jīng)創(chuàng)造了紅色，藍(lán)色，綠色以及其他波段的激光器，但通常每一種激光器都只發(fā)射一種顏色的光。創(chuàng)造一個能夠同時發(fā)射紅色、綠色和藍(lán)色的整體裝置是十分困難的，因為這要求把各種不同的半導(dǎo)體結(jié)合到一個芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個挨一個的放在一塊會導(dǎo)致一些致命的缺陷。”
這句話已經(jīng)很清楚的解釋了為什么其所謂的“White Laser”是非常難以被創(chuàng)造的。其實這句話也說明了這個“White Laser”的根本原理，簡單來說就是克服了這個困難，把幾個不同的晶體融合到了一個薄片上，用這個薄片作為工作物質(zhì)去獲得紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，當(dāng)然也就可以獲得各種波長的激光了。真正的難點，說的很明確，并不是白色激光如何而來，而是我們知道白色激光怎么創(chuàng)造（用紅綠藍(lán)三原色去疊加），而且知道怎么實現(xiàn)（把三種工作物質(zhì)放在一塊作為整個激光器的工作物質(zhì)），而這個實現(xiàn)過程異常的艱難，也就是說，把這三種工作物質(zhì)疊加到一個芯片上非常的困難。
下面再來看看到底該怎么理解這個所謂的White Laser。
首先我們需要了解到底什么是激光，激光是怎么產(chǎn)生的。Laser，來源于Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射光放大）的縮寫，laser我們可以理解為激光，也可以理解為激光器。激光器主要是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成的，這也是激光產(chǎn)生的必備條件。
那么激光是如何產(chǎn)生的？我們知道，在自然界中，任何發(fā)光的過程必須經(jīng)過兩個階段－－自發(fā)輻射和受激吸收。當(dāng)原子受到外來能量，比如光能、電能等，處于低能級的電子會吸收能量從而躍遷到高能級，這就是受激吸收過程。電子躍遷到高能級后，由于能量高不穩(wěn)定，它們只能停留極為短暫的時間，大概在10＾－9s數(shù)量級，就會又向低能級躍遷。此時的躍遷過程有兩種，一種是自發(fā)進(jìn)行的，叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射會造成兩個結(jié)果，一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子，這種形式不會發(fā)出光，叫做無輻射躍遷；另一種會輻射出一個光子，光子頻率由能極間能量差決定，這便產(chǎn)生了光。普通的光源基本是由受激吸收和自發(fā)輻射產(chǎn)生的，光源源源不斷的接受外界的能量，再源源不斷輻射出光子，因此光源便發(fā)出了光。另一種是在外界因素的誘導(dǎo)下進(jìn)行，叫做受激輻射。受激輻射也會向外輻射出光子，但與自發(fā)輻射不同的是，受激輻射會輻射出兩個光子，這兩個光子，一個是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子，另一個是電子從高能級躍遷到低能級釋放出的光子。很不幸，這兩個光子簡直就是一模一樣，而激發(fā)出的這兩個光子又作為誘導(dǎo)條件，去激發(fā)別的處于高能級正準(zhǔn)備向低能級的粒子，這樣又得到4個一模一樣的光子，接著4個變8個……激光便產(chǎn)生了。（其實激光產(chǎn)生的過程十分復(fù)雜，有很多必要條件，比如需要通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等，這里只是簡述）簡單來說，就是泵浦源引發(fā)工作物質(zhì)中的粒子在諧振腔里不停地進(jìn)行受激輻射，從而使光子累積，發(fā)射出激光。
從這個過程，我們可以很顯然的看出激光的特性。因為受激輻射出的光子都是幾乎一模一樣（頻率、傳播方向、振動方向等）的，因此激光的相干性和單色性非常好。高相干性這里我們不討論，單色性非常好，換句話說，波長很穩(wěn)定。單模穩(wěn)頻的氦氖激光器發(fā)出波長λ＝632．8nm，而譜線半寬度Δλ可以低于10＾－12μm，也就是說其單色性可以達(dá)Δλ／λ＝10＾－10～10＾－13量級。這是什么概念？普通光源單色性最好的氪同位素86燈發(fā)出λ＝605．7nm的光，其譜線半寬度Δλ＝0．47＊10＾－6μm，單色性Δλ／λ＝10＾－6量級，請自行體會。其次我們應(yīng)該知道什么是白光？ 通俗來講，把可見光波范圍內(nèi)的所有光波連續(xù)疊加在一起就構(gòu)成了白光。
從這個角度，這篇Nature Nanotechnology所闡述的＂White Laser＂并不是嚴(yán)格意義上的白光激光器，因為它并沒有直接發(fā)出白光，而是是由紅、綠、藍(lán)三種顏色的光合成的白光，我們可以把它理解為廣義的白光激光器。實際上從根本原理來看，它產(chǎn)生的依然是單色性很高的激光，只是把三種波長的光疊加起來了，合成了“白光”。
總體來看，這篇Nature Nanotechnology的文章所提出思路的難點是如何克服種種困難將三種不同種類的半導(dǎo)體工作物質(zhì)融合在一個小晶片上（納米量級的厚度），使得受激輻射產(chǎn)生出的光子就會有三種不同的能量，也就有三種不同的頻率，輻射出的光波便擁有了三種不同的波長。而這三種波長的光通過相互疊加能產(chǎn)生任何可見光波段的光，因此便構(gòu)成了“White Laser”。這聽起來so easy，但正如文章里所說，將不同的工作物質(zhì)融合在一起本就是一個異常艱難的工作，再加上融合在一起后會有一些致命的缺陷，導(dǎo)致這件聽起來很容易的事情一直到激光發(fā)明后55年才有人成功實現(xiàn)，這足以證明了這件事情的難度。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
