楊未強(qiáng)，宋 銳，韓 凱，侯 靜

(1. 國防科技大學(xué) 前沿交叉學(xué)科學(xué)院， 湖南 長沙 410073；2. 國防科技大學(xué) 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410073)

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(shí)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(yīng)(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(bào)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(xué)玻璃)，獲得了光譜范圍覆蓋400～700 nm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(yīng)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(yīng)，降低超連續(xù)譜產(chǎn)生對(duì)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(bào)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(jìn)展緩慢。光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)的發(fā)明和脈沖光纖激光器的性能提升，極大地促進(jìn)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(shí)驗(yàn)室Ranka等首次報(bào)道了基于PCF的超連續(xù)譜激光實(shí)驗(yàn)研究[11]，獲得了光譜覆蓋400～1500 nm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(lǐng)域成為新的研究熱點(diǎn)[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(yuǎn)紅外波段。超連續(xù)譜光源也獲得了諸多實(shí)際應(yīng)用，如光纖通信、精密時(shí)間及頻率測(cè)量、光學(xué)相干層析成像和非線性光譜學(xué)等[12-16]。本文重點(diǎn)介紹以光纖為非線性介質(zhì)的超連續(xù)譜研究進(jìn)展情況。

1 可見光波段增強(qiáng)的超連續(xù)譜光源產(chǎn)生

可見光波段增強(qiáng)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(lǐng)域有著重要應(yīng)用，如光學(xué)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)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(jí)聯(lián)PCF[19]都屬于改變PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)提升可見光成分的方法。改變結(jié)構(gòu)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(yīng)，從而有利于短波長光譜成分的產(chǎn)生。2008年，英國巴斯大學(xué)Stone等對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)PCF對(duì)可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響[17]。實(shí)驗(yàn)中使用的PCF參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1(a)為常規(guī)單模無截止(Endless Single Mode, ESM)光纖，圖1(b)為高空氣孔占空比光纖，兩種光纖的纖芯尺寸均為4.7 μm，空氣孔占空比分別為0.43和0.77。圖1(c)為不同光纖的群折射率曲線，圖中直線為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，圖1(c)中的插圖為超連續(xù)譜的短波邊界。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(shí)現(xiàn)與短波長區(qū)域的群速度匹配，有利于光譜的藍(lán)移。

(a) 單模無截止光纖(a) ESM fibe (b) 高空氣孔占空比光纖(b) HNL fibe

(c) 群折射率曲線(c) Group index curves圖1 不同結(jié)構(gòu)PCF的群速度曲線和超連續(xù)譜產(chǎn)生結(jié)果Fig.1 Group index curves and supercontinuum generation for different structure of PCF

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(qiáng)拉曼響應(yīng)和克爾效應(yīng)[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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(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(jí)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(cè)等領(lǐng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)面積相差數(shù)倍甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，為實(shí)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(shè)計(jì)與制作等關(guān)鍵技術(shù)，還需要解決大模場(chǎng)光纖與PCF的低損耗熔接問題，目前常采用的技術(shù)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(dāng)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(jí)。2018年，中國工程物理研究院Zhao等基于單芯PCF實(shí)現(xiàn)了輸出功率為215 W的可見光超連續(xù)譜光源，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和輸出光譜如圖2所示[24]。實(shí)驗(yàn)采用功率為 556 W的皮秒脈沖光纖激光器泵浦一段纖芯直徑為4.8 μm 的PCF，獲得了輸出功率為215 W的超連續(xù)譜，光譜覆蓋480～2000 nm，首次報(bào)道了光譜覆蓋500 nm以下可見光，輸出功率超過200 W的超連續(xù)譜光源。

(a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)(a) Experimental setup

(b) 超連續(xù)譜輸出光譜(b) Spectra of output supercontinuum圖2 215 W的可見光超連續(xù)譜Fig.2 215 W visible supercontinuum

單芯PCF的模場(chǎng)面積較小，進(jìn)一步提升功率的難度較大。從理論上講，采用多芯PCF在大功率可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生方面具有較大潛力，多芯PCF的有效模場(chǎng)面積大，容易實(shí)現(xiàn)與泵浦激光的模場(chǎng)匹配，可承受更高的功率，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可獲得有利于可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生的色散特性。近年來，基于多芯PCF的可見光超連續(xù)譜輸出功率得到了不斷提升[25-28]。2017 年，國防科技大學(xué)Qi等以七芯PCF為非線性介質(zhì)，獲得了輸出功率為80.7 W、光譜覆蓋350～2400 nm的可見光超連續(xù)譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示，超連續(xù)譜在整個(gè)可見光波段的譜功率密度均大于 50 mW/nm[29]。圖3(b)為實(shí)驗(yàn)中所使用的七芯PCF截面圖，其空氣孔直徑、間距和占空比分別為3.33 μm、3.91 μm和0.85。

(a) 輸出光譜(a) Output spectrum

(b) 七芯PCF截面圖(b) Cross-section of seven-core PCF圖3 基于七芯PCF的可見光超連續(xù)譜演化圖Fig.3 Visible supercontinuum spectra evolution for a seven-core PCF

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0.8～2.5 μm之間的超連續(xù)譜。當(dāng)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(jī)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(shí)驗(yàn)方案與可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生時(shí)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(shí)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(diǎn)在1.3 μm左右，使用常見的1 μm波段脈沖激光作為泵浦源時(shí)，泵浦光處于正常色散區(qū)，拉曼效應(yīng)和自相位調(diào)制會(huì)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(shí)現(xiàn)了數(shù)百瓦的超連續(xù)譜輸出。2018年，中國工程物理研究院攻克了千瓦級(jí)皮秒脈沖光纖激光器、PCF高效耦合等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)、輸出功率為563 W的超連續(xù)譜光源[34]。

在光纖放大器中直接產(chǎn)生超連續(xù)譜時(shí)，放大器的增益過程與非線性效應(yīng)、色散效應(yīng)共同作用促使光譜展寬，光譜展寬后處于增益范圍內(nèi)的新光譜成分會(huì)得到放大，從而又促進(jìn)了非線性效應(yīng)。該方案中，可以使用較大模場(chǎng)面積的增益光纖作為非線性介質(zhì)，在大功率超連續(xù)譜產(chǎn)生方面極具潛力，摻鐿光纖放大器[35-36](Ytterbium-Doped Fiber Amplifer, YDFA)、鉺/鐿共摻光纖放大器[37]和摻銩光纖放大器[38-42](Thulium-Doped Fiber Amplifier, TDFA)中均有超連續(xù)譜產(chǎn)生[1]。2013年，國防科技大學(xué)Song等基于摻鐿光纖放大器實(shí)現(xiàn)了177 W的近紅外超連續(xù)譜輸出，摻鐿光纖的纖芯直徑為30 μm，輸出超連續(xù)譜的10 dB光譜寬度為740 nm，輸出結(jié)果如圖4所示[43]。2019年，復(fù)旦大學(xué)Yao等基于摻銩光纖放大器實(shí)現(xiàn)了142 W的超連續(xù)譜輸出，摻銩光纖的纖芯直徑為25 μm，輸出超連續(xù)譜的10 dB光譜寬度為615 nm，輸出結(jié)果如圖5所示[44]。

圖4 基于YDFA的177 W超連續(xù)譜Fig.4 177 W supercontinuum in YDFA

圖5 基于TDFA的142 W超連續(xù)譜Fig.5 142 W supercontinuum in TDFA

隨機(jī)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(jī)分布反饋，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)，還可以利用被動(dòng)光纖中的受激拉曼散射提供增益，具有結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)域穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。2010年，英國阿斯頓大學(xué)Turitsyn等運(yùn)用了一種開腔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)激光器，利用光纖中的瑞利散射和拉曼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光反饋和增益放大，首次提出隨機(jī)分布反饋光纖激光器概念[45]。近年來，隨機(jī)光纖激光器發(fā)展迅速，在理論和實(shí)驗(yàn)研究上均取得了較大進(jìn)展，在大功率光纖激光器研制方面，隨機(jī)光纖激光器的輸出功率已突破3000 W[49]。當(dāng)前，利用隨機(jī)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(jià)比的實(shí)現(xiàn)方案，具有很大的商業(yè)潛力。2016年，上海交通大學(xué)Tang等將隨機(jī)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(xué)Ma等首次報(bào)道了隨機(jī)光纖激光器中直接產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)研究[51]，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。隨機(jī)光纖激光器采用半開腔結(jié)構(gòu)，中心工作波長為1365 nm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1461 nm，被動(dòng)光纖的長度約為16 km。當(dāng)泵浦功率為3.177 W時(shí)，得到了20 dB寬度為250 nm的超連續(xù)譜輸出，結(jié)果如圖7所示?；谠摲椒?，課題組還進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)結(jié)果[52]。

圖6 隨機(jī)光纖激光器直接產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.6 Experimental setup of supercontinuum generation seeded by random fiber laser

圖7 隨機(jī)光纖激光器中產(chǎn)生超連續(xù)譜的輸出光譜Fig.7 Supercontinuum spectra based on random fiber laser

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(yán)格的定義，也有文獻(xiàn)將2～2.5 μm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(lǐng)域?qū)?～5 μm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3 μm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(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和國防安全等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[54-55]，是當(dāng)前超連續(xù)譜研究熱點(diǎn)之一。普通石英(SiO2)光纖對(duì)于3 μm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]，不同光纖傳輸損耗曲線如圖8所示[56]。中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的技術(shù)難點(diǎn)在于以下幾個(gè)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(diǎn)較低，例如ZBLAN材料的熔點(diǎn)為455 ℃[57]，而石英材料的熔點(diǎn)高達(dá)1434 ℃，因此軟玻璃難以實(shí)現(xiàn)和普通光纖的低損耗連接。

圖8 不同材料光纖的傳輸損耗曲線Fig.8 Transmission loss curves of fibers with different materials

氟化物光纖拉制技術(shù)成熟，且材料的自聚焦閾值高于亞碲酸鹽和硫系玻璃[56]，更適合高功率中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生；但由于傳輸損耗的限制，以氟化物光纖為非線性介質(zhì)的中紅外超連續(xù)譜長波邊難以突破5 μm。用于產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的氟化物光纖主要有兩類：ZBLAN光纖和InF3光纖。

2006年，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Hagen等首次提出了1.55 μm脈沖激光泵浦ZBLAN光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的研究[58]，獲得了光譜覆蓋1.8～3.4 μm、輸出功率為5 mW的超連續(xù)譜。2009年，美國密西根大學(xué)Xia等以ZBLAN為非線性光纖，首次獲得了平均功率超過10 W的中紅外超連續(xù)譜，輸出光譜覆蓋0.8～4 μm[59]。早期的研究中，中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生的泵浦源主要為1.55 μm脈沖光纖激光器。近年來摻銩光纖激光器取得了快速的發(fā)展，與1.55 μm相比，2 μm波段更易獲得高功率輸出，且2 μm波長離中紅外波段更近，因此基于2 μm脈沖光纖激光器提升中紅外超連續(xù)譜的輸出功率和長波長的功率比例成為新的嘗試。2014年，國防科技大學(xué)Yang等以2 μm波段脈沖光纖激光器及放大器為泵浦源，以ZBLAN光纖為非線性介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了平均功率為13 W、光譜覆蓋1.9～4.3 μm的中紅外超連續(xù)譜，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如圖9 所示[60]。隨后，北京工業(yè)大學(xué)Liu等采用類似方案，獲得了功率為21.8 W、光譜范圍為1.9～3.8 μm的中紅外超連續(xù)譜[61]。2017年，國防科技大學(xué)Yin等進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)、輸出光譜超平坦的15.2 W、1.9～4.2 μm中紅外超連續(xù)譜[62]。

(a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)(a) Experimental setup

(b) 輸出光譜(b) Output spectra圖9 基于2 μm MOPA系統(tǒng)的高功率中紅外超連續(xù)譜Fig.9 High power mid-infrared supercontinuum generation pumped by a 2 μm MOPA system

由于傳輸損耗的限制，基于ZBLAN光纖的超連續(xù)譜長波邊限制在4.5 μm左右，InF3光纖與ZBLAN光纖具有相似的物理特性，但在4～5 μm波段的傳輸損耗較低。隨著InF3光纖制造和處理技術(shù)的成熟，近年來以InF3為非線性介質(zhì)產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的輸出性能不斷得到提升[63-66]。2018年，國防科技大學(xué)突破了石英光纖與InF3光纖的低損耗熔接技術(shù)(2 μm波長處的熔接損耗低至0.07 dB)，利用寬譜摻銩光纖放大器輸出的2～2.5 μm寬譜激光泵浦InF3光纖，實(shí)現(xiàn)了平均功率為1.35 W、光譜覆蓋范圍為1.5～5.2 μm以及平均功率為4.06 W、光譜覆蓋范圍為1.9～5.1 μm的光譜平坦型中紅外超連續(xù)譜[66]。

亞碲酸鹽玻璃是指含有TeO2的化合物玻璃，大多數(shù)亞碲酸鹽玻璃的透光范圍和氟化物玻璃相近，但其非線性系數(shù)要高于氟化物[1]。由于亞碲酸鹽材料中的OH-1振動(dòng)吸收損耗問題(主要位于3～4 μm波段)難以解決，亞碲酸鹽光纖在中紅外波段的損耗要遠(yuǎn)大于氟化物光纖，這是長期以來亞碲酸鹽光纖沒有得到商業(yè)化應(yīng)用的主要原因之一。通過脫水技術(shù)創(chuàng)新，減少材料中的OH-1含量是提升亞碲酸鹽光纖傳輸效率的關(guān)鍵，近年來的研究中，通過摻入鹵族元素降低OH-1吸收，可將亞碲酸鹽光纖的吸收峰降至10 dB/m左右[67-68]。2013年，美國NP Photonics公司采用獨(dú)特的脫水技術(shù)，制造出超低OH-1含量的亞碲酸鹽玻璃，成功拉制出在可見光到中紅外波段(0.6～4.5 μm)傳輸損耗均小于0.5 dB/m的高質(zhì)量光纖，并以2 μm脈沖激光作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為1.2 W，光譜范圍為1～5 μm的中紅外超連續(xù)譜[69]。2018年，吉林大學(xué)Yao等研制了低損耗的亞碲酸鹽光纖，并利用2 μm波段飛秒脈沖光纖激光器作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了平均功率為10.4 W、光譜覆蓋范圍為0.9～3.9 μm的中紅外超連續(xù)譜，證實(shí)了亞碲酸鹽光纖實(shí)現(xiàn)高功率中紅外超連續(xù)譜的潛力[70]。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和輸出光譜如圖10所示，圖10(b)中標(biāo)注的功率為1980 nm飛秒激光器的輸出功率，當(dāng)飛秒激光器的功率為15.9 W時(shí)，超連續(xù)譜輸出功率為10.4 W。

(a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)(a) Experimental setup

(b) 輸出光譜(b) Output spectra圖10 基于亞碲酸鹽光纖的高功率中紅外超連續(xù)譜Fig.10 High power mid-infrared supercontinuum generation in a Tellurite fiber

硫系玻璃包括單組分的As2Se3、As2S3、GeS2玻璃及含As、Sb、Se、He和S等的多組分玻璃[1]。硫系材料的零色散波長均在4 μm以上，普通硫系光纖難以找到適合超連續(xù)譜產(chǎn)生的泵浦源，以可以靈活設(shè)計(jì)色散特性的硫系PCF為研究對(duì)象，開展了大量的理論研究[71-77]。在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于硫系光纖的損傷閾值要低于氟化物光纖和亞碲酸鹽光纖，基于硫系光纖難以實(shí)現(xiàn)高功率激光，目前報(bào)道的基于硫系光纖的中紅外超連續(xù)譜輸出功率均在瓦量級(jí)以下[78-82]。2012年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室Gattass等報(bào)道了以階躍型折射率As2S3硫系光纖為非線性介質(zhì)，全光纖中紅外超連續(xù)譜光源產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為565 mW、光譜覆蓋1.9～4.8 μm的中紅外超連續(xù)譜[1,80]，為當(dāng)時(shí)報(bào)道的基于硫系玻璃光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的最高功率。此后的研究中，在功率提升上并沒有大的突破。近年來，基于硫系光纖的中紅外超連續(xù)譜在光譜拓展上取得了較多進(jìn)展[83-89]，已有眾多長波長邊界超過12 μm的超連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究。例如文獻(xiàn)[88]中，輸出中心波長為5 μm的飛秒激光泵浦一段22 cm長的硫化物光纖，實(shí)現(xiàn)了輸出光譜范圍為2～14 μm的超連續(xù)譜(-10 dB內(nèi)的光譜范圍為3.2～12.1 μm)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 飛秒激光泵浦硫系光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的光譜Fig.11 Spectra of supercontinuum generation in a chalcogenide fiber pumped by a femtosecond laser

4 結(jié)論

以上是對(duì)超連續(xù)譜激光光源研究進(jìn)展的總結(jié)。隨著光纖激光器的快速發(fā)展，以及高性能非線性光纖設(shè)計(jì)制造技術(shù)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(shù)已經(jīng)比較成熟，已有商用產(chǎn)品，在生物醫(yī)學(xué)、非線性光譜學(xué)、精密測(cè)量等領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)、制作與處理難度相對(duì)較大，目前相關(guān)研究還處于科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段，但在輸出功率和性能方面也得到了很大的進(jìn)展。未來，超連續(xù)譜激光光源在性能指標(biāo)提升、光譜拓展與調(diào)控等方面將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，超連續(xù)譜光源的應(yīng)用范圍也將越來越廣泛。