世界性的難題
傳統(tǒng)激光的波長(zhǎng)是由增益物質(zhì)中原子、分子或離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定的，因此激光器不能產(chǎn)生任意波長(zhǎng)的激光輸出。隨著非線性光學(xué)的發(fā)展，通過(guò)非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，能將某一固定波長(zhǎng)的激光輸出通過(guò)非線性晶體材料，轉(zhuǎn)換到很難或者根本不可能直接得到的波長(zhǎng)區(qū)域；它已成為獲得新波長(zhǎng)相干光源的重要手段。
20世紀(jì)90年代，周期極化晶體制作工藝的成熟，以及外加電場(chǎng)極化法的出現(xiàn)，通過(guò)對(duì)二階非線性系數(shù)進(jìn)行空間調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，使之成為具備周期性變化二階非線性系數(shù)的非線性光子晶體。
非線性光子晶體利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，使得非線性系數(shù)較大、透光范圍較寬而無(wú)法實(shí)現(xiàn)常規(guī)相位匹配的晶體能高效轉(zhuǎn)換。該技術(shù)通過(guò)人為合理地控制疇反轉(zhuǎn)周期，可實(shí)現(xiàn)理想的非線性相位匹配，使變頻輸出光的能量達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。
不斷拓寬激光輸出的頻率范圍和提高轉(zhuǎn)換效率，是激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。超連續(xù)、超寬帶、全相干的、具備太陽(yáng)光譜的白光激光，不失為一種完美的激光光源。
但是，白光激光是否可以被創(chuàng)造，取決于是否可以創(chuàng)造出一種晶體制造技術(shù)，確保該晶體能夠保障多級(jí)次非線性頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程能夠同時(shí)高效率產(chǎn)生，這樣就可以產(chǎn)生極寬帶、多階次高次諧波。目前這還是世界性的難題。
解決這一世界性難題，不僅可以誕生一種新型非線性光子晶體超材料，而且，還能夠產(chǎn)生超寬帶、超連續(xù)、全相干的新型超寬譜激光光源----真正意義上的白光激光。它將對(duì)人類(lèi)社會(huì)利用激光光源改造世界，產(chǎn)生深遠(yuǎn)和革命性的影響。
攻克這一難題，還能解決激光的高轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，打破人們長(zhǎng)期以來(lái)依賴(lài)單譜線或窄帶寬激光進(jìn)行工作的禁錮。例如，不需要多臺(tái)激光器設(shè)備，僅僅通過(guò)一塊晶體就使多譜線激光協(xié)同工作成為現(xiàn)實(shí)；超寬譜激光應(yīng)用系統(tǒng)也將在更加廣闊的領(lǐng)域真正得到創(chuàng)新應(yīng)用和發(fā)展。
這種新的非線性光子晶體超材料技術(shù)的誕生，意味著把傳統(tǒng)上需要多塊晶體級(jí)聯(lián)才能完成的任務(wù)，通過(guò)單片晶體的設(shè)計(jì)，以更加高效、簡(jiǎn)單的方式完成；傳統(tǒng)飛秒脈沖激光器也將朝著低成本化、操作簡(jiǎn)易化、體積小型化方向發(fā)展。
“白光激光技術(shù)”的誕生
面對(duì)世界性難題，時(shí)任中科院物理所光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任的李志遠(yuǎn)研究員認(rèn)為，超連續(xù)、超寬帶和全相干的白光激光光源，不但要求所有顏色的激光本身都是相干激光，而且，所有顏色的激光之間都彼此相干；這兩個(gè)必要條件缺一不可。
如果從傳統(tǒng)思維方式去單純尋找破解思路，就要求抽運(yùn)光有極寬的帶寬，同時(shí)二次諧波產(chǎn)生（SHG）變頻過(guò)程也要求有極寬的帶寬；目前所有的非線性晶體和非線性超晶格材料都不可能做到。
如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的定向思維去研發(fā)新的非線性晶體，也是不可取的。一塊傳統(tǒng)的非線性晶體，需要耗費(fèi)大量人力和物力去研發(fā)它，時(shí)間成本和資金成本都很大。例如，LBO晶體和BBO晶體，就耗費(fèi)了福建物構(gòu)所前后三代人去研發(fā)，而一塊LBO晶體的生長(zhǎng)周期需要2-3個(gè)月，一個(gè)BBO晶體的生長(zhǎng)周期更長(zhǎng)，需要3-4個(gè)月。
李志遠(yuǎn)認(rèn)為有必要另辟蹊徑，用一種全新思路和方法去攻克這一難題。
經(jīng)過(guò)縝密思考和推算，李志遠(yuǎn)給他的團(tuán)隊(duì)定下了研究方向和研究思路；將激光技術(shù)和非線性技術(shù)結(jié)合起來(lái)，改造非線性晶體內(nèi)部的構(gòu)造，保障多級(jí)次非線性頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程能夠同時(shí)高效率產(chǎn)生，就可以產(chǎn)生極寬帶多階次高次諧波，最終獲取超寬帶、超連續(xù)、全相干的白光激光。
最終，于2015年，通過(guò)寬帶級(jí)聯(lián)倍頻和和頻技術(shù)的全新的學(xué)術(shù)思想，采用多級(jí)次、超寬帶準(zhǔn)相位匹配的解決方案，簡(jiǎn)單、通俗、易行、高效地解決了這一個(gè)世界性難題，填補(bǔ)了世界性激光技術(shù)的空白。
激光技術(shù)和非線性技術(shù)相結(jié)合，因能產(chǎn)生350-2000 nm全譜激光光源，因此，李志遠(yuǎn)形象地把這種技術(shù)稱(chēng)為白光激光技術(shù)。
這一世界首創(chuàng)的技術(shù)不僅在當(dāng)年得到中國(guó)光學(xué)學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，還獲得“中國(guó)光學(xué)重要成果獎(jiǎng)”，同時(shí)2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利也申請(qǐng)獲批。
激光超材料white光子晶體
李志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)利用白光激光技術(shù)，通過(guò)對(duì)非線性晶體鈮酸鋰晶體的改造，使普通的非線性光子晶體，成為可產(chǎn)生白光激光的超材料（超材料，是指人為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料），并把它命名為White光子晶體。
利用準(zhǔn)相位匹配原理，對(duì)鈮酸鋰晶體材料內(nèi)部的鐵電疇實(shí)施極化，極化圖案為啁啾結(jié)構(gòu)，最終誕生的White光子晶體，它是準(zhǔn)相位匹配理論與實(shí)踐完美結(jié)合的產(chǎn)物。輸出諧波做到了2到8階同時(shí)輸出；產(chǎn)生的白光激光，分色后得到彩色連續(xù)光譜。
備制一塊White光子晶體，所耗費(fèi)的時(shí)間成本和資金成本，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)非線性晶體的研發(fā)和制造；制造流程和工藝也符合產(chǎn)業(yè)化要求。
White光子晶體，采用的輸入源是中紅外飛秒脈沖激光抽運(yùn)源，輸入源還可擴(kuò)展為近紅外飛秒脈沖激光抽運(yùn)源，以擴(kuò)大飛秒脈沖白光激光的輸出功率。在掌握白光激光技術(shù)后，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深入研發(fā)功能更加強(qiáng)大的White光子晶體芯片。
White光子晶體不僅僅可以產(chǎn)生白光激光，通過(guò)定制，還可以產(chǎn)生社會(huì)生產(chǎn)生活中所需的各種波長(zhǎng)和帶寬的激光。這項(xiàng)技術(shù)終結(jié)了傳統(tǒng)激光器不能產(chǎn)生任意波長(zhǎng)激光的歷史，從而擴(kuò)大了激光家族，對(duì)激光應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，將起到深遠(yuǎn)的影響。
從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化
李志遠(yuǎn)創(chuàng)立的單片設(shè)計(jì)理念，把傳統(tǒng)上需要多塊晶體級(jí)聯(lián)才能完成的工作，簡(jiǎn)化到單片White光子晶體里，通過(guò)對(duì)單片晶體的設(shè)計(jì)，以更加高效、簡(jiǎn)單的方式去完成；為激光器的簡(jiǎn)易操作和小型化奠定了基礎(chǔ)。
White光子晶體可依據(jù)客戶(hù)需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制任意波長(zhǎng)和帶寬的激光，這一功能極具市場(chǎng)潛力。
將科技成果轉(zhuǎn)化，才能真正體現(xiàn)白光激光技術(shù)的價(jià)值。2016年，李志遠(yuǎn)率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在南京成立了南京晶之彩材料科技有限公司，向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展邁出了第一步。
在公司成立之后的一年多時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的White光子晶體芯片，使之更加符合日常生產(chǎn)、生活中的需求；并設(shè)計(jì)了適合White晶片批量化生產(chǎn)的工藝流程；完成了與之相匹配的飛秒脈沖白光激光器的前期研發(fā)工作，配備白光激光技術(shù)的飛秒脈沖激光器將成為白光激光應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主力軍。
目前，公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品有以下五大系列：
為了方便將White光子晶體集成到各種激光光路中，公司還研發(fā)出White-Box產(chǎn)品設(shè)計(jì)，作為快速應(yīng)用白光激光的解決方案，普及白光激光。
White Box 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案
充分利用好白光激光技術(shù)，必將給社會(huì)帶來(lái)更多的、更加精準(zhǔn)的應(yīng)用系統(tǒng)，推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步?？焖賹⒖萍汲晒晒D(zhuǎn)化，除了自身的努力之外，還需要與各種社會(huì)資源通力合作。
白光激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在李志遠(yuǎn)帶領(lǐng)下，將繼續(xù)朝著White光子晶體深層研發(fā)和白光激光產(chǎn)業(yè)化的道路堅(jiān)定地走下去?？梢哉雇?，不久的將來(lái)就會(huì)有配備白光激光技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)誕生。
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