田卓承

（北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部激光工程研究院，北京 100124）

1 超連續(xù)譜激光器工作原理

超連續(xù)譜激光器是一種寬光譜激光光源，它既具有傳統(tǒng)激光器發(fā)光亮度高、空間相干性好的優(yōu)點(diǎn)，還具有比寬光譜光源（如氙燈、超輻射發(fā)光二極管）更寬的光譜范圍。憑借這些優(yōu)異特性，超連續(xù)譜激光器引起了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注，在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。本文將從工作原理、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面對(duì)其進(jìn)行闡述。

1.1 超連續(xù)譜激光產(chǎn)生原理

超連續(xù)譜激光的產(chǎn)生是各種光學(xué)非線性效應(yīng)的集中體現(xiàn)。當(dāng)一束峰值功率足夠高的激光在非線性介質(zhì)中傳輸時(shí)，介質(zhì)會(huì)對(duì)這一入射激光產(chǎn)生非線性響應(yīng)，激發(fā)出自相位調(diào)制、受激喇曼散射、調(diào)制不穩(wěn)定性、四波混頻、孤子自頻移等各種非線性效應(yīng)。在非線性效應(yīng)和介質(zhì)對(duì)入射激光色散的共同作用下，入射激光的光譜將在介質(zhì)中發(fā)生強(qiáng)烈的非線性展寬，不斷產(chǎn)生新的頻率成分，最終形成光譜覆蓋范圍達(dá)到幾百納米的超連續(xù)譜，這種可以輸出超連續(xù)譜激光的激光器被稱為超連續(xù)譜激光器。

1.2 超連續(xù)譜激光器基本結(jié)構(gòu)

超連續(xù)譜激光器一般由驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，光學(xué)系統(tǒng)為激光器的核心部分，包含高能激光泵浦源和非線性介質(zhì)，在另外兩個(gè)系統(tǒng)的配合下可輸出超連續(xù)譜激光。隨著光纖激光技術(shù)和光纖制備工藝的不斷發(fā)展進(jìn)步，光纖激光泵浦源憑借其轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)成為了超連續(xù)譜激光器的主流泵浦源。光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF)非線性系數(shù)高、色散特性靈活可調(diào)，將其作為非線性介質(zhì)為超連續(xù)譜激光器注入了很大的活力，PCF的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)，現(xiàn)已可滿足紫外到可見(jiàn)、近紅外到中遠(yuǎn)紅外不同波段超連續(xù)譜激光器的需求。將光纖激光泵浦源的能量注入到PCF中，既實(shí)現(xiàn)了超連續(xù)譜激光器的全光纖化，提升其穩(wěn)定性，也使得超連續(xù)譜的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單可控。

圖1 超連續(xù)譜激光器基本結(jié)構(gòu)圖

激光器的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)為高能激光泵浦源供電，控制激光器的開(kāi)啟、關(guān)閉、輸出功率的大小，并實(shí)時(shí)顯示其工作狀態(tài)。冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)帶走激光器運(yùn)行過(guò)程中高能激光泵浦源和非線性介質(zhì)產(chǎn)生的熱量，保證光學(xué)系統(tǒng)中的各個(gè)元器件在安全溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 超連續(xù)譜激光器的應(yīng)用

超連續(xù)譜激光器最顯著的特征也是最大的優(yōu)勢(shì)，就是可以同時(shí)輸出光譜范圍非常寬的激光，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在生物醫(yī)學(xué)成像、高光譜激光雷達(dá)、血液檢測(cè)、軍事光電對(duì)抗等應(yīng)用領(lǐng)域彰顯出了重要的應(yīng)用價(jià)值，得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 生物醫(yī)學(xué)成像

在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中，多標(biāo)記熒光顯微成像的各種熒光染料具有不同的最佳激發(fā)波長(zhǎng)，可以快速改變出射波長(zhǎng)的激光光源。超連續(xù)譜激光器的光譜覆蓋范圍大，可以實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的自由選擇，通過(guò)衰減片改變輸出功率，可在不損壞樣品的情況下達(dá)到最佳的激發(fā)效率，在進(jìn)行顯微成像時(shí)超連續(xù)譜會(huì)同時(shí)激發(fā)多種標(biāo)記熒光染料，分光后可以獲取多波長(zhǎng)熒光顯微圖像。通過(guò)觸發(fā)快門(mén)式超連續(xù)譜光源，現(xiàn)已成功進(jìn)行了人體白細(xì)胞各種亞類分類。光學(xué)相干層析成像(optical coherence tomograph，OCT)是一種三維層析成像技術(shù)，通過(guò)OCT技術(shù)可以重構(gòu)生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維或三維圖像，采用了1150~2400 nm的超連續(xù)譜激光源，實(shí)驗(yàn)獲得了3.5μm 的縱向分辨率，該技術(shù)目前已應(yīng)用于眼球的活體成像，圖2為人眼活體全眼前節(jié)大視場(chǎng)OCT斷層成像。

圖2 人眼活體OCT斷層成像圖

2.2 高光譜激光雷達(dá)

高光譜激光雷達(dá)是高光譜成像技術(shù)和激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的結(jié)合，高光譜激光雷達(dá)采用超連續(xù)譜光源可獲取全新類型的三維空間-光譜一體化數(shù)據(jù)，具有顯著的信息提取優(yōu)勢(shì)，在林木病蟲(chóng)害樣本研究、水稻產(chǎn)量監(jiān)測(cè)研究等農(nóng)林業(yè)相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的應(yīng)用潛力。作為一種新型的主動(dòng)遙感技術(shù)，高光譜激光雷達(dá)能夠提供高一致性的光譜和空間幾何信息，可廣泛用于土地覆蓋分類和復(fù)雜地形調(diào)查。此外，因?yàn)榧す饪梢源┩笜?shù)葉縫隙，高光譜激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植被覆蓋下的地表測(cè)繪和目標(biāo)識(shí)別，在軍事探測(cè)中也發(fā)揮了重要作用。

2.3 非接觸式血液檢測(cè)

為了防止我國(guó)物種資源的流失和外來(lái)物種的入侵，進(jìn)出口領(lǐng)域需要對(duì)全血制品進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)管控。傳統(tǒng)的血液檢測(cè)方法為基于流式細(xì)胞術(shù)的開(kāi)放式檢測(cè)，該方法采用接觸性采樣，血液樣本中如果攜帶致病因子，很可能會(huì)損害檢測(cè)人員的身體健康，在測(cè)量過(guò)程中也可能會(huì)造成全血樣本污染。采用超連續(xù)譜激光器研究全血在不同譜段的光學(xué)特性(吸收和反射)，建立血液樣品差異性光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式血液分類檢測(cè)與鑒別，為我國(guó)管控血樣進(jìn)出口和基因保護(hù)提供有效的技術(shù)手段。

2.4 軍事光電對(duì)抗

在軍事光電對(duì)抗中，利用高峰值功率、高重復(fù)頻率的脈沖激光打擊目標(biāo)物體配備的光電傳感器、CCD探頭等光學(xué)檢測(cè)元件可對(duì)其造成軟殺傷，使其短暫性無(wú)法工作，達(dá)到光電對(duì)抗的效果。但是，目前已發(fā)展出了多種激光防護(hù)技術(shù)以保護(hù)光電傳感器不被激光損壞，比如在光電探測(cè)器前安裝濾光片，用來(lái)對(duì)特定波長(zhǎng)的干擾激光進(jìn)行濾除，而其他包含有用信息波長(zhǎng)的激光可以正常接收；或者是在光電探測(cè)器前安裝電控或光控的快門(mén)，當(dāng)探測(cè)器接收到激光告警或檢測(cè)到干擾激光的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，快門(mén)會(huì)迅速關(guān)閉，將干擾激光擋住。這些技術(shù)手段給光電對(duì)抗帶來(lái)了很大的難題，常見(jiàn)的激光波長(zhǎng)通過(guò)濾光片后輕易地被濾掉，重復(fù)頻率較低的激光脈沖會(huì)觸發(fā)快門(mén)裝置，無(wú)法達(dá)到光電對(duì)抗的效果。超連續(xù)譜激光器可以在同一時(shí)間輸出超寬的激光光譜，成為了光電對(duì)抗的理想光源，當(dāng)各波長(zhǎng)的激光同時(shí)作用到光電探測(cè)器上時(shí)，光電探測(cè)器的濾波片無(wú)法將全部波長(zhǎng)濾除，防護(hù)快門(mén)也被突破，使得光電探測(cè)器失去了激光防護(hù)，有效提升了光電對(duì)抗的效能。

3 超連續(xù)譜激光器發(fā)展趨勢(shì)

從上述應(yīng)用中可以看到，超連續(xù)譜激光器已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，隨著這技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)步，超連續(xù)譜激光器被提出了更高的要求，未來(lái)其發(fā)展趨勢(shì)如下：（1）超連續(xù)譜激光器的輸出功率將不斷提高。激光在傳輸過(guò)程中存在損耗，傳輸距離越遠(yuǎn)、損耗越大，提高超連續(xù)譜激光輸出功率可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。（2）超連續(xù)譜激光器的能量轉(zhuǎn)化效率將提高。能量轉(zhuǎn)化效率的提高一方面降低了激光器的功耗，另一方面意味著激光器散熱量減小，有利于提高激光器長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命。（3）超連續(xù)譜激光器的光譜范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，光譜的平坦度也將得到改善，一臺(tái)超連續(xù)譜激光器將可出現(xiàn)在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，應(yīng)用率將得到很大提高?？梢韵胂?，未來(lái)，超連續(xù)譜激光器將面向更為廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，在日常的生活、生產(chǎn)、工作中為我們的醫(yī)療監(jiān)測(cè)、健康診斷、安全出行等多方面保駕護(hù)航。

4 超連續(xù)譜激光器發(fā)展中面臨的問(wèn)題

超連續(xù)譜激光器發(fā)展所面臨的最大問(wèn)題是其輸出功率水平的提高受到了限制。超連續(xù)譜激光的輸出功率水平很大程度上取決于泵浦激光注入到非線性介質(zhì)中的功率大小。當(dāng)高能激光泵浦非線性介質(zhì)時(shí)，高功率光纖激光器一般需要使用大模面積光纖，非線性介質(zhì)為了提高其非線性系數(shù)，所用PCF等光纖的纖芯直徑通常較小，泵浦源的輸出光纖與非線性光纖之間存在較大的模場(chǎng)失配，兩段光纖直接熔接必將會(huì)產(chǎn)生很大的熔接損耗，導(dǎo)致泵浦光的耦合效率低。在激光器的實(shí)際搭建過(guò)程中，需在兩段光纖之間加入模場(chǎng)匹配器，當(dāng)兩端光纖的模場(chǎng)直徑相差較大時(shí)，模場(chǎng)匹配器的結(jié)構(gòu)將變的復(fù)雜，激光器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也因?yàn)槟?chǎng)匹配器的加入變的很復(fù)雜。此外，模場(chǎng)匹配器和PCF的熔點(diǎn)無(wú)法完全避免損耗的引入，高功率泵浦光通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱量，很難保證激光器的可靠性和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，超連續(xù)譜激光器的輸出功率水平因此受限。隨著光纖熔接設(shè)備、低損耗激光耦合技術(shù)以及低損耗光纖制備技術(shù)正在迅速發(fā)展，超連續(xù)譜激光器若采用這些設(shè)備和技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)更高功率超連續(xù)譜激光輸出。

目前，科研人員研究出了超連續(xù)譜激光器的另一種方案，可在光纖放大器中直接產(chǎn)生超連續(xù)譜激光。采用該方案有以下優(yōu)勢(shì)：首先，超連續(xù)譜激光器的光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)整體的熔接損耗小。該方案無(wú)需進(jìn)行PCF熔接，光纖放大器中通常采用雙包層摻雜光纖作為增益介質(zhì)，模場(chǎng)失配和熔接損耗小。其次，光纖放大器更容易實(shí)現(xiàn)高功率超連續(xù)譜激光輸出。PCF較小的纖芯直徑成為了超連續(xù)譜激光輸出功率提高的限制因素，光纖放大器中可以采用大纖芯、大模場(chǎng)面積的增益光纖，使高功率超連續(xù)譜激光輸出成為了可能。但是，因?yàn)樵鲆婀饫w的非線性系數(shù)比PCF要小很多，所以該方案下超連續(xù)譜激光的光譜覆蓋范圍沒(méi)有得到充分拓展。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超連續(xù)譜激光器還有很大的應(yīng)用潛力，其性能也有很大的提升空間。未來(lái)需優(yōu)化激光器方案，改進(jìn)激光器光學(xué)系統(tǒng)處理工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮激光器輸出功率和超連續(xù)譜光譜范圍的關(guān)系，研制出輸出功率更高、光譜特性更好的超連續(xù)譜激光器，使其在更多領(lǐng)域充分發(fā)揮作用。