今天我要給大家介紹一篇最近發表在《高級光子學》雜志上的論文，作者利用水和鋰鈮晶體的非線性效應，實現了一種新穎的白光激光器，具有超寬帶、高能量和高光譜平坦度的特點。這種白光激光器有著廣泛的應用前景，比如生物成像、飛秒化學、通信、傳感和超快科學等領域。

那么，什么是白光激光器呢？白光激光器是一種能夠發射包含可見光范圍內所有顏色的光的激光器。我們知道，可見光是由不同波長的電磁波組成的，波長越短，顏色越靠近紫色，波長越長，顏色越靠近紅色。當我們把不同波長的光混合在一起，就會產生白色的光。所以，白光激光器就是一種能夠同時發射不同波長的光的激光器，而且這些光的強度要比較均勻，也就是說，光譜要比較平坦。

這樣的白光激光器有什么好處呢？好處就是，它可以提供更多的信息，更高的分辨率，更好的靈敏度，更快的速度，更低的成本，等等。比如，如果我們用白光激光器來照射一個物體，我們就可以同時觀察到它的各種光譜特征，從而更好地分析它的結構、成分、狀態等。如果我們用白光激光器來進行光學通信，我們就可以利用它的多波長特性，增加信道的容量，提高傳輸的速率，降低信號的失真，等等。

那么，如何制造白光激光器呢？目前，最常用的方法是利用光的非線性效應，也就是說，當光的強度非常高的時候，它會和介質發生一些非常復雜的相互作用，從而改變光的波長、相位、極化等特性。其中，有兩種非線性效應對于白光激光器的制造非常重要，分別是三階非線性效應和二階非線性效應。三階非線性效應是指光的極化強度和光的電場強度的三次方成正比的效應，它會導致光的自相位調制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等現象。這些現象會使光的波長發生變化，從而產生超連續譜（SC），也就是一種包含很多不同波長的光的譜。二階非線性效應是指光的極化強度和光的電場強度的平方成正比的效應，它會導致光的二次諧波產生（SHG）等現象。這些現象會使光的波長變為原來的一半，從而產生高頻的光。

那么，如何利用這兩種非線性效應來制造白光激光器呢？這篇論文的作者提出了一個非常巧妙的方法，他們首先用一個強大的鈦寶石飛秒激光器作為泵浦光源，這個激光器可以發射出持續時間為 50 fs，能量高達 4 mJ 的脈沖光。然后，他們用水作為三階非線性介質，讓泵浦光通過水的一段長度，利用水的 SPM 和 SRS 效應，產生了一束超連續譜的光。這個超連續譜的光的波長范圍從 600 nm 到 1200 nm，覆蓋了紅色到近紅外的區域。接著，他們用一個水浸泡的啁啾周期極化鋰鈮晶體（CPPLN）作為二階非線性介質，讓超連續譜的光通過這個晶體，利用晶體的 SHG 效應，產生了一束白光激光。這個白光激光的波長范圍從 413 nm 到 907 nm，覆蓋了紫色到紅色的區域，而且光譜非常平坦，10 dB 的帶寬達到了 494 nm，超過了一個八度。這個白光激光的能量為 0.6 mJ，相當于每個波長的平均能量為 1.2 μJ。

這個方法的優點有很多，其中最重要的一點是，它避免了光的損傷和破壞。我們知道，當光的強度非常高的時候，它會對介質造成一些不可逆的損傷，比如燒蝕、裂紋、色心等。這些損傷會影響光的傳輸和非線性效應的效率，甚至會導致介質的完全失效。為了避免這些損傷，我們通常需要使用一些特殊的材料，比如光纖、晶體、玻璃等，來承受高強度的光。但是，這些材料的成本很高，而且它們的非線性系數很低，所以需要很長的長度或者很高的強度才能產生足夠的非線性效應。而這篇論文的作者用水來代替這些材料，水的優點是，它的非線性系數很高，而且它是液體，所以它不會受到光的損傷，而且它可以自動流動，保持新鮮。

這樣，就可以用很短的長度或者很低的強度就能產生足夠的非線性效應。而且，水的折射率隨著溫度的變化而變化，這樣就可以通過調節水的溫度來調節光的相位匹配條件，從而優化非線性效應的效率。另外，水的吸收率隨著波長的變化而變化，這樣就可以通過選擇合適的波長來減少光的吸收損耗，從而提高光的輸出能量。這些都是水作為非線性介質的優點。