文/Reza Salem

超連續(xù)譜激光器的商業(yè)化在各種波長范圍內(nèi)推進，這背后的一大驅(qū)動力，主要源于這些光源提供的高亮度。覆蓋中紅外（mid-IR）區(qū)域（2.5~20µm）的超連續(xù)譜光源，對于通過光譜識別和表征材料尤為重要，可實現(xiàn)遙感、工業(yè)檢測和高光譜成像等關(guān)鍵應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的熱中紅外光源（如燈泡和球形光源）相比，超連續(xù)譜光源產(chǎn)生的亮度要高出幾個數(shù)量級，因此很有發(fā)展前景。它們的亮度水平也可以超過使用同步加速器光束線所達到的水平，同時還能提供便攜且更具成本效益的解決方案。本文概述了超連續(xù)譜激光系統(tǒng)的工作原理，討論了控制其噪聲性能的架構(gòu)選擇，并描述了由Thorlabs公司開發(fā)的中紅外超連續(xù)譜激光器產(chǎn)品的設(shè)計。

超連續(xù)譜系統(tǒng)通常由脈沖激光源（泵浦激光器）和非線性介質(zhì)組成，非線性介質(zhì)將泵浦激光器相對較窄的光譜展寬到一個或多個倍頻程帶寬。許多泵浦激光器架構(gòu)和非線性材料已被用于產(chǎn)生超連續(xù)光。基于光纖的脈沖激光源作為泵浦激光器特別有吸引力，因為它們能夠達到高平均功率，并且可以將此類激光器集成到緊湊且環(huán)境穩(wěn)定的平臺中。

用于光譜展寬的最常見的非線性介質(zhì)是具有三階（Kerr）非線性的單模波導(dǎo)。單模波導(dǎo)（例如光纖）具有與光纖激光泵浦源兼容的額外好處，因為泵浦源和波導(dǎo)之間可以通過直接熔接實現(xiàn)簡單耦合。

超連續(xù)譜噪聲和飛秒架構(gòu)

使泵浦激光器光譜展寬以產(chǎn)生超連續(xù)譜的非線性過程，也會在輸出光譜中引入顯著的單次發(fā)射不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性會導(dǎo)致輸出光譜在脈沖與脈沖之間波動，進而降低信號源的信噪比（SNR）。在某些應(yīng)用中，由于SNR降低，超連續(xù)譜光源的更高亮度所獲得的增益很容易被抹去。例如，當(dāng)要求苛刻的應(yīng)用（如在線過程監(jiān)控）需要快速測量時，高SNR至關(guān)重要。還需要高SNR來可靠地探測低電平信號，這使得SNR優(yōu)化成為超連續(xù)譜源開發(fā)的主要考慮因素。

超連續(xù)譜產(chǎn)生過程的穩(wěn)定性（相干性）已經(jīng)得到廣泛研究，并且眾所周知，飛秒（脈沖寬度小于100fs）泵浦源是實現(xiàn)穩(wěn)定輸出超連續(xù)譜的基本要求。首臺商用的超連續(xù)譜光源，以及市場上的大多數(shù)產(chǎn)品都使用皮秒和納秒泵浦架構(gòu)，這些架構(gòu)實施起來更簡單，但卻容易受到散粒噪聲的挑戰(zhàn)。雖然使用飛秒架構(gòu)通常會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是過去幾年中，飛秒鎖模光纖激光器的出現(xiàn)和商業(yè)化，已使得此類光源更容易獲得、更可靠且更便宜。飛秒泵浦的超連續(xù)譜系統(tǒng)，提供了一條通向低噪聲、緊湊和堅固的高亮度寬帶光源的新途徑。

飛秒中紅外超連續(xù)譜激光器

由于其固有的低噪聲性能，基于飛秒泵浦架構(gòu)的中紅外超連續(xù)譜激光器，可以在許多光譜應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這種光源的實現(xiàn)需要兩個關(guān)鍵的構(gòu)建模塊：在中紅外光譜區(qū)域內(nèi)或附近工作的飛秒泵浦激光器，以及在中紅外區(qū)域提供良好傳輸以及良好色散和非線性的非線性波導(dǎo)，用于在飛秒范圍內(nèi)展寬光譜。

為了滿足第一個要求，Thorlabs公司開發(fā)了摻銩飛秒光纖激光器（產(chǎn)品型號FSL1950），其工作波長接近 2.2µm，產(chǎn)生50MHz脈沖，脈沖寬度<100fs，平均功率>500mW。該激光器在基于石英光纖激光器系統(tǒng)可實現(xiàn)的最長波段中運行，從而能夠在中紅外區(qū)域高效產(chǎn)生超連續(xù)譜光源。石英有限的傳輸窗口（在約在2.3µm截止）需要使用基于不同材料系統(tǒng)的非線性波導(dǎo)，目的是將泵浦光譜擴展到中紅外區(qū)域。

可以拉制成光纖的氟化銦玻璃，能提供高達5.5µm的傳輸窗口，覆蓋了中紅外波長區(qū)域的很大一部分（見圖1）。所選的材料系統(tǒng)因其環(huán)境穩(wěn)定性、機械強度和長期堅固性而特別有吸引力。該非線性氟化銦光纖，基于特殊的拉制工藝中采用階躍折射率幾何形狀拉制，可精確控制其纖芯直徑。通過對光纖幾何形狀的嚴(yán)格控制，使用自有拉制工藝設(shè)計和開發(fā)的具有最佳色散分布的光纖，可以在飛秒范圍內(nèi)，產(chǎn)生超連續(xù)譜并進入中紅外區(qū)域。

圖1：由氟化物玻璃制成的光纖的衰減，與石英光纖相比，顯示出明顯更寬的中紅外傳輸窗口。與氟化鋯（ZrF4）玻璃相比，氟化銦（InF3）玻璃在中紅外波段具有更寬的透射窗口。

Wavelength：波長

Attenuation：衰減

圖2顯示了由上述兩個構(gòu)建模塊組成的飛秒中紅外超連續(xù)譜系統(tǒng)的示意圖。圖2中的光譜演化圖，顯示了光纖中泵浦脈沖傳播的數(shù)值模擬，其中橫軸是波長，縱軸是沿光纖的傳播距離。如模擬所示，從飛秒泵浦激光器產(chǎn)生的大約 2.2µm的脈沖，在光纖中傳播的前幾厘米內(nèi)，被展寬到超過一個倍頻程的帶寬。

圖2：對于用來自飛秒光纖激光源的2µm光泵浦的氟化物光纖（左圖），超連續(xù)光譜隨著光沿光纖傳播而演化，光譜演化圖如右圖所示。

All-fiber femtosecond pump source at 2µm：2µm全光纖飛秒泵浦源

fluoride fiber：氟化物光纖

All-fiber coherent mid-IR supercontinuum source：全光纖相干中紅外超連續(xù)譜光源

Wavelength：波長

Propagation length：傳播長度

Supercontinuum evolution：超連續(xù)譜演化

將上述飛秒摻銩光纖激光器和中紅外非線性光纖集成到全光纖平臺中，就產(chǎn)生了緊湊型臺式中紅外超連續(xù)譜激光器SC4500。已開發(fā)出的自有熔接工藝促進了集成，用于連接將脈沖從泵浦激光器傳輸?shù)椒蔷�性氟化物光纖的石英光纖。該熔接是使用Thorlabs公司的GPX系列玻璃加工系統(tǒng)的低功率燈絲熔接實現(xiàn)的。

單模光束質(zhì)量

該系統(tǒng)測得的超連續(xù)譜如圖3所示，涵蓋了從1.3µm到超過4.5µm的幾乎兩個倍頻程帶寬。結(jié)果顯示與圖2中所示的數(shù)值模擬非常吻合。產(chǎn)生此寬帶需要使用適度長度的非線性光纖（短于20cm），從而使相干區(qū)域中的超連續(xù)譜產(chǎn)生成為可能，以最小化該光源的光譜噪聲。

圖3：緊湊型臺式中紅外超連續(xù)譜激光器（b）的超連續(xù)譜（a）。光譜是在沒有吹掃激光腔的情況下獲得的。在2.7μm附近看到的精細結(jié)構(gòu)，是由于測量裝置光路中的水和CO2吸收造成的。4.2μm處的急劇下降也是由于CO2吸收所致。

超連續(xù)譜光源的一項關(guān)鍵優(yōu)勢在于其單模光束質(zhì)量，從而提高了亮度水平。圖4給出了SC4500的單模圓形光束輪廓與熱光源產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束進行比較。這種光束質(zhì)量的對比，可以體現(xiàn)在某些關(guān)鍵應(yīng)用中的重大性能提升中。一個例子是在開路氣體分析儀中使用寬帶中紅外光源，其中需要數(shù)百米的長距離光束傳播。另一個例子是在成像應(yīng)用中，與使用傳統(tǒng)非相干光源相比，來自激光器的衍射限制的聚焦光束，可以提供好得多的空間分辨率。

圖4：SC4500的單模圓形光束輪廓（上圖）與熱光源產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束形成對比，后者在空間上是非相干的（下圖）。

通過仔細考慮各種方法和架構(gòu)的權(quán)衡，可以實現(xiàn)高亮度、良好光束質(zhì)量、寬光譜覆蓋和輸出穩(wěn)定性等關(guān)鍵理想特性。在上述具體工作中，所有這些關(guān)鍵性能指標(biāo)，均以堅固且緊湊的全光纖臺式解決方案提供，這將開辟出新的應(yīng)用空間。