一种新颖的白光激光器：水的巧妙应用

今天我要给大家介绍一篇最近发表在《高级光子学》杂志上的论文，作者利用水和锂铌晶体的非线性效应，实现了一种新颖的白光激光器，具有超宽带、高能量和高光谱平坦度的特点。这种白光激光器有着广泛的应用前景，比如生物成像、飞秒化学、通信、传感和超快科学等领域。

那么，什么是白光激光器呢？白光激光器是一种能够发射包含可见光范围内所有颜色的光的激光器。我们知道，可见光是由不同波长的电磁波组成的，波长越短，颜色越靠近紫色，波长越长，颜色越靠近红色。当我们把不同波长的光混合在一起，就会产生白色的光。所以，白光激光器就是一种能够同时发射不同波长的光的激光器，而且这些光的强度要比较均匀，也就是说，光谱要比较平坦。

这样的白光激光器有什么好处呢？好处就是，它可以提供更多的信息，更高的分辨率，更好的灵敏度，更快的速度，更低的成本，等等。比如，如果我们用白光激光器来照射一个物体，我们就可以同时观察到它的各种光谱特征，从而更好地分析它的结构、成分、状态等。如果我们用白光激光器来进行光学通信，我们就可以利用它的多波长特性，增加信道的容量，提高传输的速率，降低信号的失真，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线性效应，也就是说，当光的强度非常高的时候，它会和介质发生一些非常复杂的相互作用，从而改变光的波长、相位、极化等特性。其中，有两种非线性效应对于白光激光器的制造非常重要，分别是三阶非线性效应和二阶非线性效应。三阶非线性效应是指光的极化强度和光的电场强度的三次方成正比的效应，它会导致光的自相位调制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等现象。这些现象会使光的波长发生变化，从而产生超连续谱（SC），也就是一种包含很多不同波长的光的谱。二阶非线性效应是指光的极化强度和光的电场强度的平方成正比的效应，它会导致光的二次谐波产生（SHG）等现象。这些现象会使光的波长变为原来的一半，从而产生高频的光。

那么，如何利用这两种非线性效应来制造白光激光器呢？这篇论文的作者提出了一个非常巧妙的方法，他们首先用一个强大的钛宝石飞秒激光器作为泵浦光源，这个激光器可以发射出持续时间为 50 fs，能量高达 4 mJ 的脉冲光。然后，他们用水作为三阶非线性介质，让泵浦光通过水的一段长度，利用水的 SPM 和 SRS 效应，产生了一束超连续谱的光。这个超连续谱的光的波长范围从 600 nm 到 1200 nm，覆盖了红色到近红外的区域。接着，他们用一个水浸泡的啁啾周期极化锂铌晶体（CPPLN）作为二阶非线性介质，让超连续谱的光通过这个晶体，利用晶体的 SHG 效应，产生了一束白光激光。这个白光激光的波长范围从 413 nm 到 907 nm，覆盖了紫色到红色的区域，而且光谱非常平坦，10 dB 的带宽达到了 494 nm，超过了一个八度。这个白光激光的能量为 0.6 mJ，相当于每个波长的平均能量为 1.2 μJ。

这个方法的优点有很多，其中最重要的一点是，它避免了光的损伤和破坏。我们知道，当光的强度非常高的时候，它会对介质造成一些不可逆的损伤，比如烧蚀、裂纹、色心等。这些损伤会影响光的传输和非线性效应的效率，甚至会导致介质的完全失效。为了避免这些损伤，我们通常需要使用一些特殊的材料，比如光纤、晶体、玻璃等，来承受高强度的光。但是，这些材料的成本很高，而且它们的非线性系数很低，所以需要很长的长度或者很高的强度才能产生足够的非线性效应。而这篇论文的作者用水来代替这些材料，水的优点是，它的非线性系数很高，而且它是液体，所以它不会受到光的损伤，而且它可以自动流动，保持新鲜。

这样，就可以用很短的长度或者很低的强度就能产生足够的非线性效应。而且，水的折射率随着温度的变化而变化，这样就可以通过调节水的温度来调节光的相位匹配条件，从而优化非线性效应的效率。另外，水的吸收率随着波长的变化而变化，这样就可以通过选择合适的波长来减少光的吸收损耗，从而提高光的输出能量。这些都是水作为非线性介质的优点。

研究人员开发出全光通信网络：使用四种光谱，实现海陆空的无缝连接【附通信技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

研究人员开发了一种全光通信网络，可以实现太空、空中和水下环境的无缝连接。新的网络设计结合了用于控制无人水下航行器(UUV)的蓝光通信(BLC)与白光通信(WLC)、用于无人机(UAV)的深紫外通信以及与卫星的激光二极管通信(LC)，无论环境如何都能确保连接。

在《Optics Express》中，研究人员描述了完全基于光的通信网络，并演示了网络节点之间的实时视频通信。他们还表明，它可以同时支持有线和无线设备接入， 并且可以在网络节点之间进行双向数据传输。这两种功能对于同时向不同用户提供各种服务至关重要。

无线光通信网络通常是针对特定场景而设计的，缺乏与其他通信系统的互操作性。创建空海互联需要艰巨的任务，即以创建无缝通信网络的方式整合多种技术。为了实现这一目标，研究人员使用四种光谱为四种不同的环境或应用建立无线光通信链路。

他们使用蓝光进行水下通信， 因为海水对蓝绿光的吸收窗口减小，使其比其他波长在水下传播得更远。这使得该系统可用于控制无人水下航行器或在水下设备和浮标之间建立通信。白光 LED 用于在物体之间传输信息 ，例如水面以上的浮标或船只。为了与无人机等机载设备连接，使用深紫外光。这提供了日盲通信，防止阳光干扰。 最后，对于自由空间中的点对点通信，应用了近红外激光二极管 ，因为它们发射具有高光功率的定向光。研究人员还设计了基于 TCP/IP 方案的网络，允许无线或有线访问互联网，这使其对于物联网应用非常有用。

来自南京邮电大学和苏州亮芯单片光电科技有限公司的研究小组组长王永进说：“通过蓝光、白光、深紫外波长和激光二极管的通信建立统一的传输模式非常重要，这样我们就可以使用以太网交换机将它们集成 ，为了使这项工作成为可能，LED 和调制方案决定了网络吞吐量，而雪崩光电二极管限制了传输范围，并且光学带通滤波器将所需的光信号与其他光谱中的光信号隔离开来”。

研究人员表明，全光通信网络可以通过有线和无线接入实现全双工实时视频通信以及传感器数据、图像和音频文件的传输。

图片来源：摄图网

技术价值观察

通信产业的上游行业主要为电子元器件制造业(如集成芯片、电阻、电容、晶振、LCD屏、印刷电路板)、塑胶与五金结构件制造业(如塑胶、铝合金、五金插接件、机柜及其它结构件)和通信设备部件制造业(如收发器、交换机、天线、分路器、合路器等)。

通信产业的下游行业主要为政府与公共安全、公用事业以及工商业等行业，这些下游市场的需求变化和产业政策直接影响产业的经营效益和持续发展。同时，通信产业也能更大程度地促进下游行业的快速发展，提高下游行业的生产效率，具体产业链布局如下图：

研究人员开发出全光通信网络，使用四种光谱为四种不同的环境或应用建立无线光通信链路。因此，从通信产业链上看，全光通信网络处于产业链的中游环节。

宏观市场观察

——定义

通信是指是人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下，无论采用何种方法，使用何种媒质，将信息从某方准确安全传送到另方。

本文中，前瞻对通信产业的定义为：由从事通信设备和系统及相关的配套设备、专用零部件的研究、生产、开发的企业，以及电信运营服务商和光通信行业组成的产业群体。

——电信业务收入和发展质量平稳增长

工业和信息化部发布的《2021年通信业统计公报》显示：2021年我国通信行业保持稳中向好运行态势，电信业务收入稳步提升，累计完成1.47万亿元，比2020年增长8.0%。按照上年不变单价计算，全年电信业务总量较快增长，完成1.7万亿元，比2020年增长27.8%。

——通信设备制造行业市场规模逐年递增

根据《中国电子信息产业统计年鉴》，2014-2019年全国规模以上通信设备制造业营业收入持续增长。根据工信部，2020年，通信设备制造业营业收入同比增长4.7%，则通信设备制造业营业收入初步估计达39729亿元。

2016-2020年，全国通信设备零售营业收入呈波动递增趋势，年复合增长率2.01%;2020年受疫情影响，营业收入增速有所放缓。2020年全国通信设备零售营业收入达1363.5亿元，同比增长0.78%。面对激烈变化的内外部环境和新一轮通信技术的变革，我国通信设备产业在保持已有产品集成创新和低成本研发比较优势的基础上，亟须把握产业融合发展的新形势和新机遇，加强产业的横向协作和纵向整合，以继续扩大市场规模。

——光通信产业发展规模

1、中国光缆长度：接近5800万公里

根据国家统计局数据，2017-2021年中国光缆长度持续增长，截止2022年上半年已经达到5791万公里，较2021年底增加310万公里。

2、中国光模块市场规模：持续增长

2015-2020年受下游光电及数据通信行业需求的影响，我国光模块市场规模不断增加，2015-2020年年均复合增速为11.13%。2020年上半年受疫情影响，下游数据通信及三大运营商采购需求放缓，下半年国内电信及数通客户需求下半年回暖，整体推动2020年中国光模块行业市场规模增加至382.1亿元。初步统计，2021年我国光模块市场规模超过400亿元。

——“十四五”通信产业发展趋势：基础设施建设能力显著提高，向国际一流水平迈进

整体来看，未来我国通信行业将显著提高基础设施建设、数据与算力设施服务以及网络数据安全治理等方面的能力，并向国际一流水平迈进。

中国通信技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示，与通信关键技术强关联的城市集群主要集中在华南地区，并且以广深为重点发展区域 ，未来布局通信技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南地区优先导入，其中可重点关注广东省广州市天河区、广东省深圳市福田区、海南省海口市龙华区所处通信产业的相关企业 ，以及该地方对于通信产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

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更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国通信产业（ICT）发展前景预测与投资战略规划分析报告》。

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