科学家们在开发超宽带白光激光源方面取得了长足进步，这些激光源覆盖了从紫外到远红外的宽光谱。这些激光器可应用于各种领域，如大规模成像、飞秒化学、电信、激光光谱学、传感和超快科学。然而，这种追求面临着挑战，尤其是在选择合适的非线性介质方面。传统的固体材料虽然效率高，但在高功率峰值条件下容易造成光损伤。气体介质虽然不易损坏，但普遍存在效率低和技术复杂的问题。
华南理工大学李志远教授的研究团队最近采取了一项非常规举措，将水作为非线性介质。水资源丰富，价格低廉，即使在高功率激光的作用下，水也不会受到光学损伤。据《Advanced Photonics Nexus》报道，水诱导的光谱展宽涉及增强的自相位调制和受激拉曼散射，从而产生具有435nm 10 dB带宽的超连续白光激光，覆盖令人印象深刻的478-913 nm范围。
图 1：(a) 非线性光学实验装置。(b) 典型 CPPLN 结构样品表面的显微图像。(c) CPPLN 样品的高倍视图。(d) 制作的 CPPLN 样品。(e) LN 晶体中 SHG 过程的相位失配曲线与 CPPLN 结构的傅立叶变换光谱。(f) 水-CPPLN 模块在 800 nm Ti:sapphire 激光照射下的照片。(g) 水-CPPLN 模块发出的白光光斑。资料来源：洪丽红等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
在进一步创新的过程中，研究人员将水与啁啾周期极化铌酸锂（CPPLN）晶体结合在一起，这种晶体以其强大的二阶非线性功率而著称。这种结合不仅扩大了超连续白光激光的频率范围，还使其输出光谱更加平坦。
图 2：不同输入脉冲能量下的水后的归一化超连续谱。资料来源：洪丽红等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
据该论文的资深作者李志远教授介绍：级联水-CPPLN模块为实现脉冲能量强、光谱平坦度高、带宽超宽的“三高”白光激光器提供了一条长寿命、高稳定、低成本的技术路线。
这项水-CPPLN 协作成果前景广阔。这种超宽带超连续光源具有0.6 mJ的脉冲能量和超过一个倍频程(413-907 nm)的10 dB带宽，在超快光谱学和高光谱成像方面具有潜力。
图 3：水-CPPLN 模块在不同输入脉冲能量和入射光斑直径下发出的归一化超连续谱。资料来源：洪丽红等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
图4：(a)模拟不同输入能量下水通过SPM的输出光谱。(b)模拟了4 mJ泵浦脉冲能量下40 mm长度水体中不同位置的光谱演化。(c) 4 mJ脉冲能量泵浦作用下水中超连续谱实验的线性拟合过程。资料来源：洪丽红等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
李志远教授说：它在极端光谱带宽上以高信噪比提供了物理、化学和生物过程的高分辨率。它为制造具有强脉冲能量、高光谱平坦度和超宽带宽的长寿命、高稳定性和廉价白激光器开辟了一条有效途径，为科学研究和应用的新可能性铺平了道路。
参考文献：洪丽红等人，《Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。
DOI: 10.1117/1.APN.3.1.016008
