超连续光源宽白光激光器

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。图 | 李志远（来源：李志远）基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。（来源：Light: Science & Applications）鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）助力解决 Science 125 个待解难题之一据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”（来源：Light: Science & Applications）让中国学界真正拥有属于自己的实验设备多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。（来源：Light: Science & Applications）总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。

众所周知，传统的辐射校准光源，如氘灯、石英窗卤素钨灯、长弧氙灯等无法在200 nm-800 nm范围内保持较高的输出，并且在使用100小时或更短时间后需要进行重新校准，在使用500小时后还需要更换灯泡。图1 LDLS与其他传统光源的性能对比基于此，Hamamatsu集团旗下的Energetiq公司研发出单点激光驱动光源技术，并将其命名为激光驱动白光光源（Laser Driven Light Source, LDLS），该类光源不仅可以在170nm-2500nm的光谱范围内提供超高发光亮度，而且整个光源的发光寿命相比较于传统光源也高出了整整一个数量级。激光驱动白光光源（LDLS）激光驱动白光光源（以下简称，LDLS）由一个特殊设计的灯室、驱动激光光源、激光聚焦光路、光源输出光路、光源控制器等主要部分组成。图2 LDLS发光原理其原理是采用无电极结构，将外置1000 nm左右波长的激光汇聚到光源灯室中，加热氙等离子体至足够高温时发光，灯室发光后系统会自动给灯室断电，发光等离子体的状态就一直由外部激光器所保持。图3 LDLS产品参数与常见的有氘灯、钨灯、氙灯等传统光源相比，LDLS在亮度、稳定性、UV波长覆盖、寿命上都有很大突破。LDLS性能优势1、高亮度LDLS是高亮度光源，可以将光源压缩成一个极小的点，拥有极高的功率密度，超小光点成像（～0.1 mm）变得更容易，也更容易耦合进光纤、光谱仪等各种光学设备。适用于成像应用和测量诸如微芯片、生物细胞等精密测量样本的应用。图3 氙灯光源灯焰与LDLS灯焰比较2. 宽光谱范围LDLS光谱分布涵盖了深紫外—可见光—近红外的光谱范围（170nm-2500nm），光谱分布平坦相比于传统光源在深紫外波段光谱有极高光谱强度（10X）。图4 EQ-99X和卤钨灯光谱分布对比图5 LDLS系列光源光谱强度分布和传统光源对比3. 长寿命LDLS具有超长灯室寿命，超9000小时典型时长（低耗材成本），与传统光源（氙灯、氘灯、卤钨灯）相比校准时间间隔更长、漂移更低。图6 LDLS光源寿命4. 高稳定性LDLS 以每秒200帧的速度收集和存储2500张图像 ，使用ImageJ（图像分析软件）计算每张图像的质心； 发光等离子体质心位置标准差: 水平方向—0.145 µ m；垂直方向—0.094 µ m。产品应用紫外-可见光光谱分析单色仪光源薄膜检测 滤光片/光学元件测试原子吸收光谱材料特征检测环境分析高光谱成像气相分析测量光学传感器检测生命科学与生物成像

Birkerod,丹麦，2011年1月17日—超连续谱光纤激光技术的先行者和商业制造商NKTPhotonics公司宣布将在Photonics West 2011展会上推出下一代SuperK EXTREM超连续谱系列产品以及全面提升的配套选件，以SuperK EXTREM eco-system (系统解决方案)的方式推出。 　　SuperKExtrem“系统产品解决方案”现在提供了更加丰富的超连续谱光源产品线，涵盖不同的光谱范围和输出功率水平，配合广泛并且智能的附件产品组合，用户能够快速(on-the-fly)调整输出光重复频率，更加灵活地进行波长调谐，以及选择优化的光谱整形选项。应用领域包括荧光光谱学(fluorescence microscopy),流式细胞仪(flow cytometry),荧光寿命成像显微(fluorescence lifetime imaging microscopy: FLIM), 荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer: FRET),光学相干断层扫描(optical coherence tomography: OCT),非接触检测(non-contact inspection)等，以及任何其他需要使用宽光谱并且高亮度光的领域，SuperK Extrem能够提供“像灯光一样宽的光谱，像激光一样高的亮度”的输出。　　完全重新设计的软件套件，SuperKontrol，能够让用户通过简单的图形界面对新一代SuperKEXTREM系统进行全面的计算机控制。此外，NKTPhotonics额外提供的软件开发组件进一步扩展了SuperKEXTREM系统的灵活性，用户可以通过二次开发满足更为苛刻的控制需求，例如需要严格的关键时钟序列或者触发条件等。　　一如既往，SuperKExtrem系统的核心基于NKTPhotonics公司世界驰名的光子晶体光纤技术，该技术被用于产生和传输高性能、高可靠性的超连续谱光源解决方案的历史已经超过了十年。　　“下一代SuperKEXTREM超连续谱光源是我们新的智能型SuperK系统产品解决方案(eco-system)的一部分，我们关注的是产品的灵活性和可靠性，以及操作的简便性。我们的目标是开发革命性的超连续谱白光激光器系统应对我们工业型客户以及学术研究客户现在和将来所面临的挑战，新一代产品的推出意味着我们实现了这样的目标。”NKTPhotonics的营销副总裁说到。　　新一代的SuperKEXTREM和配件带有设计独特“面板智能化”性能，提供真正的“即插即用(plug&play)的操作，用户只需要把各种模块简单连接起来，而不需要特殊的设置和配置，SuperKEXTREM系统将自动处理系统的安装和控制。此外，这种“智能化”还能够允许用户在现场(on-site)升级SuperKEXTREM系统，例如另一个功率水平，不同光谱范围的输出，而不需要返回NKT Photonics的工厂。因此，用户可以逐渐建立和扩展自己的SuperK系统用来满足不断出现的新的应用需求。　　“SuperKEXTREM系统总输出功率超过8W，超过2W的可见光功率输出已经实现，这些表现证明了SuperKEXTREM系列的高可靠性和高性能表现。我们重视系统的长期可靠性，系统的记录寿命测试已经超过了15000小时，这些结果能证明SuperKEXTREM系统是一款真正的免维护的超连续谱激光光源，满足OEM和工业应用的要求。我们对自己能够为客户提供新型的，性能提升的新一代超连续谱激光光源产品感到很兴奋，它集合了众多的有点，例如最高的输出功率水平，工业级的可靠性，最容易使用，这得益于我们自己拥有的领先的光子晶体光纤技术。”Chuong Tran进一步补充说到。