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為什么創(chuàng)造白色激光的難度很大?

來源:知乎2017-02-09 我要評論(0 )   

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(shí)發(fā)射出紅色、藍(lán)色、綠色的激光被證明難度很大,因?yàn)樾枰M合差異巨大的半導(dǎo)體組件。

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(shí)發(fā)射出紅色、藍(lán)色、綠色的激光被證明難度很大,因?yàn)樾枰M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(gè)能夠同時(shí)發(fā)射紅色、綠色和藍(lán)色的整體裝置是十分困難的,因?yàn)檫@要求把各種不同的半導(dǎo)體結(jié)合到一個(gè)芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個(gè)挨一個(gè)的放在一塊會(huì)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(shí)這句話也說明了這個(gè)“White Laser”的根本原理,簡單來說就是克服了這個(gè)困難,把幾個(gè)不同的晶體融合到了一個(gè)薄片上,用這個(gè)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)(把三種工作物質(zhì)放在一塊作為整個(gè)激光器的工作物質(zhì)),而這個(gè)實(shí)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(gè)芯片上非常的困難。

下面再來看看到底該怎么理解這個(gè)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(gè)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(huì)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(shí)間,大概在10^-9s數(shù)量級,就會(huì)又向低能級躍遷。此時(shí)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(huì)造成兩個(gè)結(jié)果,一種散發(fā)出熱能傳遞給其他粒子,這種形式不會(huì)發(fā)出光,叫做無輻射躍遷;另一種會(huì)輻射出一個(gè)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(huì)向外輻射出光子,但與自發(fā)輻射不同的是,受激輻射會(huì)輻射出兩個(gè)光子,這兩個(gè)光子,一個(gè)是滿足激發(fā)條件的誘導(dǎo)光子,另一個(gè)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(gè)光子簡直就是一模一樣,而激發(fā)出的這兩個(gè)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(gè)一模一樣的光子,接著4個(gè)變8個(gè)……激光便產(chǎn)生了。(其實(shí)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(gè)過程,我們可以很顯然的看出激光的特性。因?yàn)槭芗ぽ椛涑龅墓庾佣际菐缀跻荒R粯樱l率、傳播方向、振動(dòng)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(huì)。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(gè)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?yàn)樗]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(shí)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(diǎn)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(gè)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(huì)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(gè)異常艱難的工作,再加上融合在一起后會(huì)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(shí)現(xiàn),這足以證明了這件事情的難度。

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白色激光半導(dǎo)體激光器
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