導讀
光是電磁波，是信息的載體；光是粒子，是能量的載體；光還是電磁相互作用的信使，是人類心靈溝通微觀世界的使者。從原子內電子躍遷到原子間分子振動的不同微觀過程，橫跨從深紫外到遠紅外的不同特徵波段。為了能夠看清楚這些微觀過程，科學界長期追尋這樣一束能夠覆蓋全光譜的「萬能激光光源」。然而，自激光誕生60餘年來，這一願望始終未能實現——傳統激光光源要麼光譜窄、要麼能量低、要麼平坦度差，無法同時滿足寬光譜、強脈衝、高平坦度的苛刻要求。
近日， 華南理工大學李志遠教授團隊 與 中國科學院上海光機所李儒新院士團隊
聯手打破這一僵局，創造性地提出基於中紅外強激光泵浦的「非線性頻率上下轉換協同」新策略，成功研製出覆蓋200-25000 nm（七個倍頻程）、脈衝能量達1 mJ、光譜平坦度達17 dB的超平坦全譜段白光強激光。該激光光源有望為同步觀測各種物理、化學和生物過程中的微觀動態提供前所未有的能力，開啟「全光譜探測」新紀元。
相關研究成果以「
mJ-level 7-octave ultraflat white laser encompassing 200-25000 nm
」為題發表於 Light: Science Applications 。中國科學院上海光機所和華南理工大學聯合培養 博士後洪麗紅 為本文的第一作者，華南理工大學 李志遠教授 、中國科學院上海光機所 李儒新院士 為本文的共同通訊作者。
光譜學是探究微觀世界的重要工具。從19世紀末太陽氫吸收光譜的觀測開啟量子物理學大門，到20世紀80年代飛秒激光泵浦-探測技術揭示化學鍵斷裂過程，再到90年代阿秒脈衝激光實現電子運動探測，每一次突破都源於光源和光譜技術的進步。然而，電子躍遷、分子振動、聲子、等離子體激元等微觀過程的特徵能量橫跨從深紫外（DUV）到遠紅外（FIR）的極寬光譜範圍，這對光源的頻譜覆蓋能力提出了嚴峻挑戰。
傳統非相干熱光源雖能提供寬光譜覆蓋，但缺乏相干性和高光譜亮度；現有超連續譜激光器僅能實現部分波段覆蓋，即使綜合各種超連續激光器也無法做到全譜段覆蓋，而且脈衝能量低、光譜平坦度差，難以滿足同時探測不同能量尺度微觀過程的需求。如何開發出同時具備極寬光譜覆蓋、高脈衝能量、高光譜平坦度、超快脈衝持續時間和良好相干性的全譜段激光光源，成為激光技術領域亟待突破的一個重大科學問題。
李志遠/李儒新合作團隊突破了傳統超寬頻激光「單向拓展」的固有模式，提出了「中紅外橋接、上下轉換協同」的雙向光譜拓展原創性策略。這一策略如同搭建一座「光學橋樑」，以3.9 μm中紅外激光為「橋接光源」，通過上轉換過程將短波邊界推進至200 nm深紫外區域，通過下轉換過程將長波邊界延伸至25 μm遠紅外波段，最終實現橫跨七個倍頻程的全光譜覆蓋（圖1）。
圖1：雙向光譜拓展策略示意圖。以3.9 μm中紅外激光為橋接光源，上轉換模塊產生深紫外-中紅外波段，下轉換模塊產生中紅外-遠紅外波段，實現七個倍頻程全光譜覆蓋
創新點一：打造高能量、超寬頻中紅外「種子源」
為了給這座「橋樑」提供充足的能量支撐，合作團隊首先搭建了升級版光學參量啁啾脈衝放大（OPCPA）系統，產生能量7.12 mJ、脈寬120 fs、波長3.9 μm的中紅外強激光。該激光隨後泵浦3米長充氪氣空心光纖（HCF）後，通過自相位調製效應實現顯著光譜展寬。當氪氣壓力精確控制至2.2 bar，成功獲得了覆蓋2000-6000 nm的超寬頻中紅外超連續譜，脈衝能量3.62 mJ，壓縮後脈寬僅23 fs，總轉換效率達51%（圖2a，d）。這一高能量、超寬頻的中紅外種子激光為後續「上下轉換協同」的雙向拓展（圖2b，c）提供了充沛的能量儲備和寬闊的光譜基礎。
圖2：超寬頻中紅外種子激光的產生和非線性頻率上、下轉換模塊
創新點二：上轉換突破——12次諧波征服深紫外極限
在短波拓展方向，合作團隊創新設計的啁啾周期極化鈮酸鋰（CPPLN）晶體成為關鍵的「非線性魔法武器」。該晶體攜帶6個極寬頻倒格矢帶，能夠同時支持2-12次高次諧波產生，將團隊前期10次諧波技術 [ Light 12, 199 (2023)] 進一步拓展至新高度。利用這一非線性光學器件，團隊將短波邊界從350 nm推進至200 nm，首次進入深紫外波段，觸及電子躍遷、分子解離等基本量子過程的探測窗口。合作團隊通過理論模擬進一步揭示了晶體內部級聯高次諧波的演變機制，為這一深紫外突破提供了堅實的理論支撐。
上轉換模塊實現了高達40%的轉換效率，輸出脈衝能量達到1.45 mJ，輸出光譜從深紫外200 nm連續覆蓋至中紅外6000 nm，橫跨五個倍頻程。這一突破為同時探測深紫外電子躍遷、可見光電子激發、近紅外及中紅外分子振動等多尺度物理和化學過程提供了強大工具。
創新點三：下轉換突破——級聯架構拓展遠紅外邊界
在長波拓展方向，合作團隊精巧設計了「LN晶體+AGSe晶體」級聯架構。該方案充分發揮了兩種晶體的互補特性：LN晶體通過三階非線性效應進一步拓寬中紅外種子激光的光譜帶寬，為後續非線性頻率下轉換過程創造更寬的頻譜基礎；AGSe晶體則利用高效脈衝內自差頻（IP-DFG）過程，將長波邊界一舉推進至25 μm遠紅外波段，實現了從2 μm到25 μm的超連續光譜覆蓋。
下轉換模塊實現了18%的能量轉換效率和0.75 mJ的脈衝能量輸出。輸出光譜2-25 μm的長波覆蓋意味著系統能夠深入探測分子指紋區和晶格振動等低能物理和化學過程，為化學化工、材料科學、環境監測和生物醫學成像等應用提供了重要工具。
創新點四：系統集成——七個倍頻程超平坦全譜段白光強激光
通過上、下轉換模塊的協同優化，合作團隊構建了完整的「短波-長波」雙向拓展體系，最終實現了一套性能指標全面領先世界水平的超寬頻白光激光系統。該系統具有五大突破性特徵：
光譜範圍覆蓋200-25000 nm，橫跨從深紫外（DUV）到遠紅外（FIR）七個倍頻程；
脈衝能量達1 mJ；
全譜段平坦度優於17 dB（圖3a），實現從高能紫外到低能紅外光子的高度均勻輸出；
脈衝寬度約1.8 ps；
優異的光束相干性。
整個系統的光子束流強度達到10 23 ~10 24 count nm -1 s -1 （圖3b），比同步輻射裝置高出7-8個數量級。
基於這些優勢，該激光光源使得單束激光即可同時探測五個能量尺度的物理化學過程： 深紫外電子躍遷 、 可見光電子激發 、 近紅外分子振動吸收 、 中紅外分子指紋振動 以及 遠紅外晶格振動 ——這些測量以往需要多台激光器或大型同步輻射裝置才能分別完成。該系統為「單脈衝全光譜快照」技術開闢了道路，有望在高速攝譜學、量子態調控、超快動力學等前沿領域引發突破。
圖3：非線性頻率上、下轉換協同實現高性能深紫外-遠紅外全譜段白光強激光
總結展望
本研究以中紅外強激光為「橋樑」，通過創新性的非線性頻率上下轉換協同策略，成功突破了全譜段激光在光譜覆蓋範圍、脈衝能量和光譜平坦度等方面的技術瓶頸，實現了覆蓋深紫外至遠紅外七個倍頻程的超平坦白光強激光輸出。這一全光譜超快激光光源有望開創一種全新的激光光譜學研究範式——從「多源拼接」轉向「單源全譜」，從「分段測量」轉向「同步快照」，為物理學、化學、材料學、生物學等基礎科學研究以及生物醫學成像、環境監測、工業檢測等應用領域開闢廣闊前景。
