為什麼創造白色的激光難度很大? | 知乎問答精選

 

A-A+

為什麼創造白色的激光難度很大?

2018年07月19日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 9 ℃ 次

【席鵬的回答(13票)】:

產生激光有三大條件:泵浦源、增益介質,和激光諧振腔。泵浦源負責提供能量,增益介質負責提供粒子數反轉的條件,諧振腔負責來回震盪放大。

在激光出來之前,僅有泵浦源和增益介質就能發光,這個叫做螢光。一般來說,增益介質所能出來的螢光都做不到很寬,這是很難產生白色激光的首要原因。而普通的白光往往都是多個發光源疊加的效果。

同時,在激光器設計上,腔長必須是波長的一半的整數倍,才能夠保證來回震盪的波產生干涉相長。這也導致僅有離散的幾個波長能夠得到放大,也就是出激光。

所以,一般激光器的單色性很好。但,凡事都有兩面性。這樣的好處,也導致了白光---單色性很差的激光輸出很難。

【曹閏禹的回答(11票)】:

謝邀。

-------

我仔細讀了題主題干裡的鏈接,文章的內容就很能回答題主的問題啊。

題主問「為什麼創造白色激光的難度很大」,這篇發表在Nature Nanotechnology的文章開篇就如是說「Although previous research has created red, blue, green and other lasers, each of these lasers usually only emitted one color of light. Creating a monolithic structure capable of emitting red, green, and blue all at once has proven difficult because it requires combining very different semiconductors. Growing such mismatched crystals right next to each other often results in fatal defects throughout each of these materials.

「儘管過去的研究已經創造了紅色,藍色,綠色以及其他波段的激光器,但通常每一種激光器都只發射一種顏色的光。創造一個能夠同時發射紅色、綠色和藍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體結合到一個芯片上去。然而把這些不匹配的晶體們一個挨一個的放在一塊會導致一些致命的缺陷。」

加粗這句話已經很清楚的解釋了為什麼其所謂的「White Laser」是非常難以被創造的。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去獲得紅、綠、藍三種顏色的激光,當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,並不是白色激光如何而來,而是我們知道白色激光怎麼創造(用紅綠藍三原色去疊加),而且知道怎麼實現(把三種工作物質放在一塊作為整個激光器的工作物質),而這個實現過程異常的艱難,也就是說,把這三種工作物質疊加到一個芯片上非常的困難。

-------

下面再來看看到底該怎麼理解這個所謂的White Laser。

首先我們需要瞭解到底什麼是激光,激光是怎麼產生的。

Laser,來源於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(個人認為這詞本意是指激光,變成激光器是因為很多人不知道這是個縮寫詞,而這詞但看確實像激光器。。。)。激光器主要是由工作物質、諧振腔和泵浦源組成的,這也是激光產生的必備條件。

那麼激光是如何產生的?我們知道,在自然界中,任何發光的過程必須經過兩個階段--自發輻射和受激吸收。當原子受到外來能量,比如光能、電能等,處於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。電子躍遷到高能級後,由於能量高不穩定,它們只能停留極為短暫的時間,大概在10^-9s數量級,就會又向低能級躍遷。此時的躍遷過程有兩種,一種是自發進行的,叫做自發輻射。自發輻射會造成兩個結果,一種散發出熱能傳遞給其他粒子,這種形式不會發出光,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,這便產生了光。普通的光源基本是由受激吸收和自發輻射產生的,光源源源不斷的接受外界的能量,再源源不斷輻射出光子,因此光源便發出了光。另一種是在外界因素的誘導下進行,叫做受激輻射。受激輻射也會向外輻射出光子,但與自發輻射不同的是,受激輻射會輻射出兩個光子,這兩個光子,一個是滿足激發條件的誘導光子,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,而激發出的這兩個光子又作為誘導條件,去激發別的處於高能級正準備向低能級的粒子,這樣又得到4個一模一樣的光子,接著4個變8個……激光便產生了。(其實激光產生的過程十分複雜,有很多必要條件,比如需要通過粒子數反轉來克服受激吸收與受激輻射之間的各種矛盾等等,這裡只是簡述)

簡單來說,就是泵浦源引發工作物質中的粒子在諧振腔裡不停地進行受激輻射,從而使光子累積,發射出激光。

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。高相干性這裡我們不討論,單色性非常好,換句話說,波長很穩定。單模穩頻的氦氖激光器發出波長λ=632.8nm,而譜線半寬度Δλ可以低於10^-12μm,也就是說其單色性可以達Δλ/λ=10^-10~10^-13量級。這是什麼概念?普通光源單色性最好的氪同位素86燈發出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。

其次我們應該知道什麼是白光?

通俗來講,把可見光波範圍內的所有光波連續疊加在一起就構成了白光。

從這個角度,這篇Nature Nanotechnology所闡述的"White Laser"並不是嚴格意義上的白光激光器,因為它並沒有直接發出白光,而是是由紅、綠、藍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體工作物質融合在一個小晶片上(納米量級的厚度),使得受激輻射產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生任何可見光波段的光,因此便構成了「White Laser」。這聽起來so easy,但正如文章裡所說,將不同的工作物質融合在一起本就是一個異常艱難的工作,再加上融合在一起後會有一些致命的缺陷,導致這件聽起來很容易的事情一直到激光發明後55年才有人成功實現,這足以證明了這件事情的難度。

【知乎用戶的回答(0票)】:

這是完成了我當年的想法啊。

單純的白色光是不存在的,都是復合而成。比如說你分別拿紅、藍、綠光的激光器,將光線合術,就會看到白色的復合光(當然這需要調試)。

所以看起來很簡單嘛,這有什麼難的?

然而並不是這樣!

如下圖所示,他們團隊是將這三種不同波長的發光體做在同一材料上,這才是難度所在。

(Image: Arizona State University/Nature Nanotechnology)(Image: Arizona State University/Nature Nanotechnology)

不論是LED還是LD,都需要外延片。不同的波長對應不同的外延材料。(如下圖所示)

餓了,先去吃飯。。。。

【愈白的回答(2票)】:

首先,不是首次創造白色的激光,而是首次在一塊半導體上產生併合成白色激光。本質依然是產生單色光,然後合成。

Despite the great efforts made to achieve multi-colour lasing using a variety of approaches, a single monolithic semiconductor laser capable of lasing with all three elementary colours has not yet been realized due to several significant challenges

而在超連續光譜這種非線性效益下,激光可見光區域的光譜都可以覆蓋,所以也可以用其他方法創造白色激光。

而他們的方法難點在於如何讓ZnCdSS這些元素培出合適的晶體結構:

  • 材料的選取--半導體(高效、可兼容)

most of the previous approaches use non-semiconductor materials such as nonlinear optical crystals, rare-earth doped materials, dye-doped polymers or liquids, or microfibres. Such set-ups are bulky, inefficient and incompatible with electrical injection

  • 晶體合成--納米技術

Producing emission covering all visible wavelengths in a single structure requires the growth of potentially very dissimilar semiconductors into a monolithic structure with high crystal quality. This has been a goal pursued by the crystal growth community for decades and remains a challenging one

  • 各個顏色的激光同步

it is also critically important to realize a growth-compatible cavity structure in which the lasing of all three elementary colours can be supported simultaneously, while minimizing absorption of the short-wavelength emission by narrow-gap materials.

【李文江的回答(0票)】:

白色光是多光譜的復合光,他的意思就是將三種不同頻率的激光同時發射出來得到白色激光。。。可能光譜頻率匹配有點難度。

【子瓜的回答(0票)】:

我是做固體皮秒的,所以不太懂半導體的,不過白色激光也是三原色合成的,應該是匹配有困難。

PS:(打個廣告)皮秒激光實驗室,承接皮秒、納秒1064,532,355高峰值功率激光器,與各大天文台,研究院有合作。

【知乎用戶的回答(0票)】:

鏈接中能看到詳細介紹。簡單來說,激光的特性有一點就是單色性,而白光是混合光。一般激光器的設計(CO2、氦氖、固體)都是針對某個原子能級躍遷釋放能量,E=hv,因此激光基本都是單一頻率的光。且不同頻率激光器構造差別較大。

白光激光器的難度在於讓一個激光器穩定的發出紅綠藍三種,要精確的設計結構。原文如下,懶得翻譯。

Scientists and engineers at Arizona State University, in Tempe, have created the first lasers that can shine light over the full spectrum of visible colors. The device』s inventors suggest the laser could find use in video displays, solid-state lighting, and a laser-based version of Wi-Fi.

Although previous research has created red, blue, green and other lasers, each of these lasers usually only emitted one color of light. Creating a monolithic structure capable of emitting red, green, and blue all at once has proven difficult because it requires combining very different semiconductors. Growing such mismatched crystals right next to each other often results in fatal defects throughout each of these materials.

But now scientists say they』ve overcome that problem. The heart of the new device is a sheet only nanometers thick made of a semiconducting alloy of zinc, cadmium, sulfur, and selenium. The sheet is divided into different segments. When excited with a pulse of light, the segments rich in cadmium and selenium gave off red light; those rich in cadmium and sulfur emitted green light; and those rich in zinc and sulfur glowed blue.

The researchers grew this alloy in stages, carefully varying the temperature and other growth conditions over time. By controlling the interplay between the vapor, liquid, and solid phases of the different materials that made up this nano-sheet, they ensured that these different crystals could coexist.

The scientists can individually target each segment of the nano-sheet with a light pulse. Varying the power of the light pulses that each section received tuned how intensely they shone, allowing the laser to produce 70 percent more perceptible colors than the most commonly used light sources.

Lasers could be far more energy-efficient than LEDs: While LED-based lighting produces up to about 150 lumens per watt of electricity, lasers could produce more than 400 lumens per watt, says Cun-Zheng Ning, a physicist and electrical engineer at Arizona State University at Tempe who worked on the laser. In addition, he says that white lasers could also lead to video displays with more vivid colors and higher contrast than conventional displays.

Another important potential application could be "Li-Fi", the use of light to connect devices to the Internet. Li-Fi could be 10 times faster than today』s Wi-Fi, but "the Li-Fi currently under development is based on LEDs," Ning says. He suggests white-laser based Li-Fi could be 10 to 100 times faster than LED-based Li-Fi, because the lasers can encode data much faster than white LEDs.

In the future, the scientists plan to explore whether they can excite these lasers with electricity instead of with light pulses. They detailed their findingsonline 27 July in the journal Nature Nanotechnology.

本人學的激光原理什麼忘得差不多了,雖同是光學,差別也很大。

【席鵬的回答(0票)】:

產生激光有三大條件:泵浦源、增益介質,和激光諧振腔。泵浦源負責提供能量,增益介質負責提供粒子數反轉的條件,諧振腔負責來回震盪放大。

在激光出來之前,僅有泵浦源和增益介質就能發光,這個叫做螢光。一般來說,增益介質所能出來的螢光都做不到很寬,這是很難產生白色激光的首要原因。而普通的白光往往都是多個發光源疊加的效果。

同時,在激光器設計上,腔長必須是波長的一半的整數倍,才能夠保證來回震盪的波產生干涉相長。這也導致僅有離散的幾個波長能夠得到放大,也就是出激光。

所以,一般激光器的單色性很好。但,凡事都有兩面性。這樣的好處,也導致了白光---單色性很差的激光輸出很難。

【知乎用戶的回答(0票)】:

白色激光早就有了啊,請搜索super continuum。利用非線性效應,把超短脈衝激光的頻譜展寬,光譜覆蓋了藍光到近紅外波長。

【歐陽親的回答(0票)】:

激光器諧振腔的限制,組成激光的光子只沿同一直線傳播,光束的發散角極 小。激光在空間上的能量分佈是高度集中的。

激光具有方向性高度集中,高亮度,單色性等特性,在半導體固體激光器的發展中,紅色激光,紅外激光等單色是最早成熟的,不同材質的半導體合金技術難而已

【肅之的回答(0票)】:

謝邀,光譜中沒有單色白光,白光是復合光,這是你列舉的白色激光和其他激光最大的區別。

激光最大的特點是什麼?單色性,可以簡單理解為單波長(雖然不可能做到單波長,會存在極小的帶寬,此帶寬是衡量激光優劣的重要標準)。所以嚴格來說根本不存在白色激光,這裡的白色激光缺乏激光最根本的特性-單色性,頂多具有高能量密度和方向性好的特點,所以創造白色激光卻打破激光的特性,你說難不難?

【Morph昊峰的回答(0票)】:

瀉藥,在實習,忙死人了,下周實習結束後回答

【王垚林的回答(0票)】:

剛才上班收到邀請,看到「白色激光」三觀盡毀,回來趕緊打開電腦看完題目——這確實是個好問題。

按理說激光是頻譜越窄就越純,從能量效率上看,激光應該越純越好。頻譜窄便於提高激光器的能效,激光器作為一種電器,能效總是越高越好的。另外,無論是用於切割、點火還是信息傳輸,窄頻譜也可以說是激光的奧義。現在居然有人反其道行之,研究彩色激光器,也就是「白色激光」,我要為這種強行創新精神點贊,尤其對其用途感到好奇!

本人專業有一部分是半導體照明(有學應用物理的一起來哭嗎?),一直認為白光的主要用途是照明,尤其看了樓上的原文後,LED!

我很懷疑是不是翻譯將激光和受激發光搞混?如果是白光LED芯片,那我完全能理解這項發明的偉大。目前白光LED最常用的是藍色芯片+黃色螢光粉混成白光;比較少見又常出現在教科書中的還有三色芯片混白光和紫外芯片+三色螢光粉混白光。以上3種白光LED在封裝體積、能量效率、白光顯色性上都有各自的缺點,也許大家未必能體會得到,我認為如果白光LED芯片技術發展成熟,那將是第四次照明革命(之前分別是:火==》白熾燈==》螢光燈/現有白光LED)。

對於照明的意義我不想多做解釋,大多數人的直接印象可能只有電燈,可實際應用中照明之於白光,可連冰山一角都沒有達到,滄海一粟可能更貼切。不過OLED如果能提高光效和壽命的話,也許白光LED芯片就沒有我前面說的那麼必要了。

總結一下,我覺得這裡的「激光」是翻譯問題!

【tedhu的回答(0票)】:

謝邀 有空編輯

【知乎用戶的回答(0票)】:

激動了

跟蹤傳說中的問題推送機 @袁霖 被發現了

然後發現了北大教授 光學超分辨成像@席鵬 教授

我贊同@趙晨 同學的說法,我之前瞭解的白光激光器也是超連續譜,

白光激光本身肯定是很有挑戰的事情,而且關鍵一點是你怎麼定義「白光」

粗鄙的瞭解,單純LED白光的定義和規範都不是簡單的事情

看配圖是三色合成

放個坑,看看文獻後再填坑

大家多討論

【暮雨瀟瀟的回答(0票)】:

謝 @袁霖 邀。首先看你怎麼定義「白色激光」。如果從單色性角度出發,那麼「白色」與「激光」是矛盾的。如果從廣義角度理解激光,白色激光已經出現,並且產生也並不困難。正如 @趙晨所答,白光超連續可以產生白色激光。主要是基於自位相調製和高階非線性作用,利用超短激光在相應介質中即可產生。與普通白光不同,這種白光超連續各個譜成分保持確定的位相關係。已廣泛運用與光譜檢測、成像等等領域。

【知乎用戶的回答(0票)】:

謝邀,這可是我的處女答,我要好好醞釀一下。

【thyem的回答(0票)】:

瀉藥。大神們回答的挺好的,大晚上的失眠,剛剛還在糾結我為啥會學光學。既然睡不著就簡單的答一下。。首先,題主應該明白白色光是一重複合光,是多個光波的疊加;如日常所常見的白光LED燈,其發光原理主要有兩種,一種為螢光式(單晶);另一種為單色光混合法(多晶)。好,我們來看激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。激光具有極好的單色性,顏色極純,基本都是以一種顏色存在;常見的有紅色、綠色、藍色(即RGB三色)。理論上說,同時對這3個顏色的激光進行合適的調製配合,能產生所謂的白色激光。但是目前由單色光混合LED尚不能調製出非常完美的白光,更不要說用激光了,這種調製方式十分複雜,效果也不是很好。ps.就算是如果有了白色的激光,會用來幹嘛呢?

標籤:-激光 -激光器


相關資源:





給我留言