超連續(xù)譜激光光源研究進展

　　摘要:高非線性光纖制造技術的成熟和光纖激光器性能的提升，極大地促進了超連續(xù)譜光源的快速發(fā)展，以光纖為非線性介質(zhì)的超連續(xù)譜的產(chǎn)生成為當前研究熱點。從可見光、近紅外和中紅外3個不同波段，綜述了超連續(xù)譜產(chǎn)生的技術方案與最新進展。當前，可見光和近紅外波段的超連續(xù)譜光源輸出功率已經(jīng)突破百瓦量級，并出現(xiàn)了多芯光子晶體光纖、光纖放大器和隨機光纖激光器產(chǎn)生超連續(xù)譜等眾多新方案;以氟化物光纖和亞碲酸鹽光纖為非線性介質(zhì)的中紅外超連續(xù)譜，輸出功率也突破了十瓦量級;在光譜拓展方面，以硫系光纖為非線性介質(zhì)的超連續(xù)譜，輸出光譜已擴展到12μm以上。

　　關鍵詞:超連續(xù)譜;非線性光學;光子晶體光纖;軟玻璃光纖

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　　超連續(xù)譜光源，被形象地稱為白光激光，是一種新型激光器，同時具有普通光源(自發(fā)輻射光)的寬光譜特性和單色激光光源的方向性、高空間相干性、高亮度等特征。超連續(xù)譜的產(chǎn)生通常是指窄帶激光入射到非線性介質(zhì)后，入射激光在多種非線性效應(如調(diào)制不穩(wěn)定性、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、孤子自頻移和受激拉曼散射等)和色散的綜合影響下，光譜得到極大展寬的現(xiàn)象[1]。

　　1970年，美國Alfano等首次報道了超連續(xù)譜的產(chǎn)生[2-3]，利用皮秒激光泵浦固體非線性介質(zhì)(BK7光學玻璃)，獲得了光譜范圍覆蓋400～700nm的超連續(xù)譜光源。早期超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要集中在固體[1-4]、氣體[5-7]和液體[8]等非線性介質(zhì)中，不僅需要極高峰值功率的入射激光，而且由此獲得的超連續(xù)譜光束質(zhì)量較差，應用也受限。光纖可以很好地將激光約束在光纖纖芯中，增加激光與物質(zhì)相互作用的非線性效應，降低超連續(xù)譜產(chǎn)生對激光功率的要求，提升輸出光的光束質(zhì)量，是超連續(xù)譜產(chǎn)生的理想介質(zhì)。

　　早在1976年，就有光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的報道[9]，但是由于缺乏高功率脈沖光纖激光器和更有效的高非線性光纖，超連續(xù)譜激光光源研究進展緩慢。光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber，PCF)的發(fā)明和脈沖光纖激光器的性能提升，極大地促進了超連續(xù)譜的飛速發(fā)展[1]。PCF具有非線性系數(shù)高、色散靈活可調(diào)等優(yōu)良特性，非常適合超連續(xù)譜的產(chǎn)生。1996年第一根PCF成功制備[10]，2000年貝爾實驗室Ranka等首次報道了基于PCF的超連續(xù)譜激光實驗研究[11]，獲得了光譜覆蓋400～1500nm的高光束質(zhì)量超連續(xù)譜光源，自此開啟了超連續(xù)譜光源研究的新春天，該領域成為新的研究熱點[1]。

　　經(jīng)多年發(fā)展，超連續(xù)譜的產(chǎn)生已有多種解決方案，在泵浦選擇上有連續(xù)波激光、納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等，產(chǎn)生超連續(xù)譜的非線性介質(zhì)有PCF、普通光纖、增益光纖、軟玻璃光纖等，超連續(xù)譜激光的光譜范圍可以輕易覆蓋可見至近紅外波段，還可延伸至紫外、中紅外波段，甚至遠紅外波段。超連續(xù)譜光源也獲得了諸多實際應用，如光纖通信、精密時間及頻率測量、光學相干層析成像和非線性光譜學等[12-16]。本文重點介紹以光纖為非線性介質(zhì)的超連續(xù)譜研究進展情況。

　　1可見光波段增強的超連續(xù)譜光源產(chǎn)生

　　可見光波段增強的超連續(xù)譜通常簡稱為可見光超連續(xù)譜，該類型光源在生物醫(yī)療成像領域有著重要應用，如光學相干層析成像、熒光共焦顯微成像、相干反斯托克斯拉曼散射顯微成像等。脈沖激光泵浦PCF是產(chǎn)生可見光超連續(xù)譜的常用方案，通常有三種增加可見光成分的基本方法:一是，通過PCF的物理結構參數(shù)，靈活改變光纖的色散特性，從而滿足可見光產(chǎn)生所需的匹配條件;二是，通過改變PCF的摻雜材料，調(diào)整光纖的色散和非線性特性，促進可見光產(chǎn)生;三是，采用多波長泵浦PCF，充分利用自相位調(diào)制、四波混頻等非線性效應產(chǎn)生可見光成分。也可綜合使用幾種基本方法來產(chǎn)生可見光超連續(xù)譜。

　　采用高空氣比的PCF[17]、拉錐PCF[18]或級聯(lián)PCF[19]都屬于改變PCF結構參數(shù)提升可見光成分的方法。改變結構參數(shù)以及改變PCF的摻雜材料，都是為了調(diào)整光纖的群速度色散和非線性系數(shù)，使光譜在演化過程中更容易滿足群速度匹配條件，以及獲得更高效的非線性效應，從而有利于短波長光譜成分的產(chǎn)生。2008年，英國巴斯大學Stone等對比分析了不同結構PCF對可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響[17]。

　　不同輸出功率下超連續(xù)譜的長波邊界和短波邊界的連線。使用高空氣孔占空比的PCF明顯拓展了超連續(xù)譜向可見光展寬的程度，和常規(guī)的單模無截止PCF相比，高空氣孔占空比PCF在長波長區(qū)域的群折射率曲線更為陡峭，更容易實現(xiàn)與短波長區(qū)域的群速度匹配，有利于光譜的藍移。光纖中摻雜化合物可以提高PCF的非線性，如PCF中摻雜GeO2可以增強拉曼響應和克爾效應[20-21]，但摻雜使光纖的零色散波長紅移，為有效產(chǎn)生可見光超連續(xù)譜，通常需要拉錐或特殊結構設計(如Y形芯)改變光纖參數(shù)。多波長泵浦方案中，可通過非線性晶體倍頻產(chǎn)生多波長泵浦源，或者通過PCF四波混頻獲得多波長泵浦源后再級聯(lián)另一種PCF產(chǎn)生可見光超連續(xù)譜[22]。

　　在遙感成像、遙感探測等領域，期望獲得更高功率的超連續(xù)譜光源。為獲得較高的非線性系數(shù)，用于產(chǎn)生超連續(xù)譜的PCF模場面積通常較小。而作為超連續(xù)譜產(chǎn)生的泵浦激光，為獲得高功率需要選用較大模場面積的增益光纖。高功率超連續(xù)譜產(chǎn)生過程中選用的增益光纖與PCF的模場面積相差數(shù)倍甚至一個數(shù)量級以上。因此，為實現(xiàn)高功率超連續(xù)譜光源，不僅需要攻克高光束質(zhì)量的脈沖光纖激光器、高性能光子晶體光纖設計與制作等關鍵技術，還需要解決大模場光纖與PCF的低損耗熔接問題，目前常采用的技術方案有光纖拉錐、PCF選擇性空氣孔塌縮、增加過渡光纖等[23]。

　　當前，基于單芯PCF的可見光超連續(xù)譜輸出功率已突破百瓦量級。2018年，中國工程物理研究院Zhao等基于單芯PCF實現(xiàn)了輸出功率為215W的可見光超連續(xù)譜光源。實驗采用功率為556W的皮秒脈沖光纖激光器泵浦一段纖芯直徑為4.8μm的PCF，獲得了輸出功率為215W的超連續(xù)譜，光譜覆蓋480～2000nm，首次報道了光譜覆蓋500nm以下可見光，輸出功率超過200W的超連續(xù)譜光源。技大學Qi等以七芯PCF為非線性介質(zhì)，獲得了輸出功率為80.7W、光譜覆蓋350～2400nm的可見光超連續(xù)譜，實驗結果如圖3(a)所示，超連續(xù)譜在整個可見光波段的譜功率密度均大于50mW/nm[29]。

　　2近紅外波段超連續(xù)譜光源產(chǎn)生

　　近紅外波段超連續(xù)譜光源是指輸出光譜的主要成分處于0.8～2.5μm之間的超連續(xù)譜。當前，產(chǎn)生近紅外波段超連續(xù)譜的方式主要有以下三種:一是使用脈沖光纖激光器泵浦PCF或普通光纖;二是在脈沖光纖放大器中直接產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜;三是用隨機光纖激光器產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜。使用脈沖光纖激光器泵浦PCF產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜[30-31]的實驗方案與可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生時的相同，但比可見光產(chǎn)生的限制條件少，不需要滿足可見光產(chǎn)生時的群速度匹配。

　　脈沖激光泵浦普通光纖也可以產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜[32-33]，普通光纖的零色散點在1.3μm左右，使用常見的1μm波段脈沖激光作為泵浦源時，泵浦光處于正常色散區(qū)，拉曼效應和自相位調(diào)制會促使激光頻率紅移，產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜。在大功率超連續(xù)譜產(chǎn)生方面，PCF也實現(xiàn)了數(shù)百瓦的超連續(xù)譜輸2近紅外波段超連續(xù)譜光源產(chǎn)生近紅外波段超連續(xù)譜光源是指輸出光譜的主要成分處于0.8～2.5μm之間的超連續(xù)譜。當前，產(chǎn)生近紅外波段超連續(xù)譜的方式主要有以下三種:一是使用脈沖光纖激光器泵浦PCF或普通光纖;二是在脈沖光纖放大器中直接產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜;三是用隨機光纖激光器產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜。

　　使用脈沖光纖激光器泵浦PCF產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜[30-31]的實驗方案與可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生時的相同，但比可見光產(chǎn)生的限制條件少，不需要滿足可見光產(chǎn)生時的群速度匹配。脈沖激光泵浦普通光纖也可以產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜[32-33]，普通光纖的零色散點在1.3μm左右，使用常見的1μm波段脈沖激光作為泵浦源時，泵浦光處于正常色散區(qū)，拉曼效應和自相位調(diào)制會促使激光頻率紅移，產(chǎn)生近紅外超連續(xù)譜。

　　在大功率超連續(xù)譜產(chǎn)生方面，PCF也實現(xiàn)了數(shù)百瓦的超連續(xù)譜輸隨機光纖激光器是一種新型的光纖激光器[45-48]，可利用光纖中的瑞利散射提供隨機分布反饋，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器的諧振腔結構，還可以利用被動光纖中的受激拉曼散射提供增益，具有結構簡單、時域穩(wěn)定等優(yōu)點。

　　2010年，英國阿斯頓大學Turitsyn等運用了一種開腔結構的隨機激光器，利用光纖中的瑞利散射和拉曼效應實現(xiàn)激光反饋和增益放大，首次提出隨機分布反饋光纖激光器概念[45]。近年來，隨機光纖激光器發(fā)展迅速，在理論和實驗研究上均取得了較大進展，在大功率光纖激光器研制方面，隨機光纖激光器的輸出功率已突破3000W[49]。當前，利用隨機光纖激光器產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究尚處于起步階段，但該方案作為一種高魯棒性、高性價比的實現(xiàn)方案，具有很大的商業(yè)潛力。2016年，上海交通大學Tang等將隨機光纖激光器作為泵浦源，研究了硫化物光纖中超連續(xù)譜的產(chǎn)生[50]。

　　2017年，電子科技大學Ma等首次報道了隨機光纖激光器中直接產(chǎn)生超連續(xù)譜的實驗研究[51]。隨機光纖激光器采用半開腔結構，中心工作波長為1365nm的拉曼激光器為泵浦源，半開腔中光纖光柵的中心工作波長為1461nm，被動光纖的長度約為16km。當泵浦功率為3.177W時，得到了20dB寬度為250nm的超連續(xù)譜輸出�；�于該方法，課題組還進一步優(yōu)化了實驗結果[52]。

　　3中紅外波段超連續(xù)譜光源產(chǎn)生

　　中紅外波段超連續(xù)譜并沒有嚴格的定義，也有文獻將2～2.5μm波段的超連續(xù)譜稱作中紅外超連續(xù)譜。通常情況下，在軍事領域?qū)?～5μm波段稱為中紅外波段。本文所指的中紅外超連續(xù)譜是長波邊超過3μm的超連續(xù)譜光源。由于中紅外波段的超連續(xù)譜光源處于大氣傳輸窗口，涵蓋眾多分子的特征譜線[53]，在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和國防安全等領域有廣闊的應用前景[54-55]，是當前超連續(xù)譜研究熱點之一。普通石英(SiO2)光纖對于3μm以上的光具有較大的傳輸損耗，中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要使用軟玻璃光纖，常見的軟玻璃光纖材料有:氟化物玻璃、亞碲酸鹽玻璃和硫系玻璃[1]。

　　中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的技術難點在于以下幾個方面:一是高性能軟玻璃光纖的制造;二是適合超連續(xù)譜產(chǎn)生的泵浦光源研制;三是軟玻璃光纖的端面處理與低損耗連接。與石英光纖相比，軟玻璃光纖呈現(xiàn)易碎、易斷的脆弱物理特性，且材料的熔點較低，例如ZBLAN材料的熔點為455℃[57]，而石英材料的熔點高達1434℃，因此軟玻璃難以實現(xiàn)和普通光纖的低損耗連接。4結論以上是對超連續(xù)譜激光光源研究進展的總結。

　　隨著光纖激光器的快速發(fā)展，以及高性能非線性光纖設計制造技術的成熟，超連續(xù)譜光源也在近年來得到了快速發(fā)展。目前，可見光和近紅外波段超連續(xù)譜技術已經(jīng)比較成熟，已有商用產(chǎn)品，在生物醫(yī)學、非線性光譜學、精密測量等領域獲得了實際應用。中紅外超連續(xù)譜光源的產(chǎn)生方面，由于軟玻璃光纖的物理特性脆弱，中紅外非線性光纖的設計、制作與處理難度相對較大，目前相關研究還處于科學實驗階段，但在輸出功率和性能方面也得到了很大的進展。未來，超連續(xù)譜激光光源在性能指標提升、光譜拓展與調(diào)控等方面將會得到進一步的發(fā)展，超連續(xù)譜光源的應用范圍也將越來越廣泛。

　　參考文獻(References)

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