本文摘要：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譜光源的快速發展，以光纖為非線性介質的超連續譜的產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，綜述了超連續譜產生的技術方案與最新進展。當前，可見光和近紅
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譜光源的快速發展，以光纖為非線性介質的超連續譜的產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，綜述了超連續譜產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譜光源輸出功率已經突破百瓦量級，并出現了多芯光子晶體光纖、光纖放大器和隨機光纖激光器產生超連續譜等眾多新方案;以氟化物光纖和亞碲酸鹽光纖為非線性介質的中紅外超連續譜，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的超連續譜，輸出光譜已擴展到12μm以上。
關鍵詞:超連續譜;非線性光學;光子晶體光纖;軟玻璃光纖
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超連續譜光源，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。超連續譜的產生通常是指窄帶激光入射到非線性介質后，入射激光在多種非線性效應(如調制不穩定性、自相位調制、交叉相位調制、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象[1]。
1970年，美國Alfano等首次報道了超連續譜的產生[2-3]，利用皮秒激光泵浦固體非線性介質(BK7光學玻璃)，獲得了光譜范圍覆蓋400～700nm的超連續譜光源。早期超連續譜的產生主要集中在固體[1-4]、氣體[5-7]和液體[8]等非線性介質中，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譜光束質量較差，應用也受限。光纖可以很好地將激光約束在光纖纖芯中，增加激光與物質相互作用的非線性效應，降低超連續譜產生對激光功率的要求，提升輸出光的光束質量，是超連續譜產生的理想介質。
早在1976年，就有光纖中產生超連續譜的報道[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，超連續譜激光光源研究進展緩慢。光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber，PCF)的發明和脈沖光纖激光器的性能提升，極大地促進了超連續譜的飛速發展[1]。PCF具有非線性系數高、色散靈活可調等優良特性，非常適合超連續譜的產生。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的超連續譜激光實驗研究[11]，獲得了光譜覆蓋400～1500nm的高光束質量超連續譜光源，自此開啟了超連續譜光源研究的新春天，該領域成為新的研究熱點[1]。
經多年發展，超連續譜的產生已有多種解決方案，在泵浦選擇上有連續波激光、納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等，產生超連續譜的非線性介質有PCF、普通光纖、增益光纖、軟玻璃光纖等，超連續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的超連續譜研究進展情況。
1可見光波段增強的超連續譜光源產生
可見光波段增強的超連續譜通常簡稱為可見光超連續譜，該類型光源在生物醫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是產生可見光超連續譜的常用方案，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，靈活改變光纖的色散特性，從而滿足可見光產生所需的匹配條件;二是，通過改變PCF的摻雜材料，調整光纖的色散和非線性特性，促進可見光產生;三是，采用多波長泵浦PCF，充分利用自相位調制、四波混頻等非線性效應產生可見光成分。也可綜合使用幾種基本方法來產生可見光超連續譜。
采用高空氣比的PCF[17]、拉錐PCF[18]或級聯PCF[19]都屬于改變PCF結構參數提升可見光成分的方法。改變結構參數以及改變PCF的摻雜材料，都是為了調整光纖的群速度色散和非線性系數，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對可見光超連續譜產生的影響[17]。
不同輸出功率下超連續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明顯拓展了超連續譜向可見光展寬的程度，和常規的單模無截止PCF相比，高空氣孔占空比PCF在長波長區域的群折射率曲線更為陡峭，更容易實現與短波長區域的群速度匹配，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，為有效產生可見光超連續譜，通常需要拉錐或特殊結構設計(如Y形芯)改變光纖參數。多波長泵浦方案中，可通過非線性晶體倍頻產生多波長泵浦源，或者通過PCF四波混頻獲得多波長泵浦源后再級聯另一種PCF產生可見光超連續譜[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譜光源。為獲得較高的非線性系數，用于產生超連續譜的PCF模場面積通常較小。而作為超連續譜產生的泵浦激光，為獲得高功率需要選用較大模場面積的增益光纖。高功率超連續譜產生過程中選用的增益光纖與PCF的模場面積相差數倍甚至一個數量級以上。因此，為實現高功率超連續譜光源，不僅需要攻克高光束質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實現了輸出功率為215W的可見光超連續譜光源。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的超連續譜光源。技大學Qi等以七芯PCF為非線性介質，獲得了輸出功率為80.7W、光譜覆蓋350～2400nm的可見光超連續譜，實驗結果如圖3(a)所示，超連續譜在整個可見光波段的譜功率密度均大于50mW/nm[29]。
2近紅外波段超連續譜光源產生
近紅外波段超連續譜光源是指輸出光譜的主要成分處于0.8～2.5μm之間的超連續譜。當前，產生近紅外波段超連續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生近紅外超連續譜;三是用隨機光纖激光器產生近紅外超連續譜。使用脈沖光纖激光器泵浦PCF產生近紅外超連續譜[30-31]的實驗方案與可見光超連續譜產生時的相同，但比可見光產生的限制條件少，不需要滿足可見光產生時的群速度匹配。
脈沖激光泵浦普通光纖也可以產生近紅外超連續譜[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，拉曼效應和自相位調制會促使激光頻率紅移，產生近紅外超連續譜。在大功率超連續譜產生方面，PCF也實現了數百瓦的超連續譜輸2近紅外波段超連續譜光源產生近紅外波段超連續譜光源是指輸出光譜的主要成分處于0.8～2.5μm之間的超連續譜。當前，產生近紅外波段超連續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生近紅外超連續譜;三是用隨機光纖激光器產生近紅外超連續譜。
使用脈沖光纖激光器泵浦PCF產生近紅外超連續譜[30-31]的實驗方案與可見光超連續譜產生時的相同，但比可見光產生的限制條件少，不需要滿足可見光產生時的群速度匹配。脈沖激光泵浦普通光纖也可以產生近紅外超連續譜[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，拉曼效應和自相位調制會促使激光頻率紅移，產生近紅外超連續譜。
在大功率超連續譜產生方面，PCF也實現了數百瓦的超連續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，從而代替傳統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、時域穩定等優點。
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生超連續譜的研究尚處于起步階段，但該方案作為一種高魯棒性、高性價比的實現方案，具有很大的商業潛力。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譜的產生[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生超連續譜的實驗研究[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的超連續譜輸出�；谠摲椒ǎn題組還進一步優化了實驗結果[52]。
3中紅外波段超連續譜光源產生
中紅外波段超連續譜并沒有嚴格的定義，也有文獻將2～2.5μm波段的超連續譜稱作中紅外超連續譜。通常情況下，在軍事領域將3～5μm波段稱為中紅外波段。本文所指的中紅外超連續譜是長波邊超過3μm的超連續譜光源。由于中紅外波段的超連續譜光源處于大氣傳輸窗口，涵蓋眾多分子的特征譜線[53]，在生物醫學、環境監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，中紅外超連續譜的產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]。
中紅外超連續譜產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;二是適合超連續譜產生的泵浦光源研制;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和普通光纖的低損耗連接。4結論以上是對超連續譜激光光源研究進展的總結。
隨著光纖激光器的快速發展，以及高性能非線性光纖設計制造技術的成熟，超連續譜光源也在近年來得到了快速發展。目前，可見光和近紅外波段超連續譜技術已經比較成熟，已有商用產品，在生物醫學、非線性光譜學、精密測量等領域獲得了實際應用。中紅外超連續譜光源的產生方面，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，超連續譜激光光源在性能指標提升、光譜拓展與調控等方面將會得到進一步的發展，超連續譜光源的應用范圍也將越來越廣泛。
參考文獻(References)
[1]楊未強.高功率全光纖中紅外超連續譜光源研究[D].長沙:國防科技大學，2014:1-19.YANGWeiqiang.Thestudyonhigh-powerall-fibermidinfraredsupercontinuumgeneration[D].Changsha:NationalUniversityofDefenseTechnology，2014:1-19.(inChinese)
[2]AlfanoRR，ShapiroSL.Emissionintheregion4000to7000viafour-photoncouplinginglass[J].PhysicalReviewLetters，1970，24(11):584-587.
[3]AlfanoRR，ShapiroSL.Observationofself-phasemodulationandsmall-scalefilamentsincrystalsandglasses[J].PhysicalReviewLetters，1970，24(11):592-594.
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