文/Reza Salem

超连续谱激光器的商业化在各种波长范围内推进，这背后的一大驱动力，主要源于这些光源提供的高亮度。覆盖中红外（mid-IR）区域（2.5~20µm）的超连续谱光源，对于通过光谱识别和表征材料尤为重要，可实现遥感、工业检测和高光谱成像等关键应用。

与传统的热中红外光源（如灯泡和球形光源）相比，超连续谱光源产生的亮度要高出几个数量级，因此很有发展前景。它们的亮度水平也可以超过使用同步加速器光束线所达到的水平，同时还能提供便携且更具成本效益的解决方案。本文概述了超连续谱激光系统的工作原理，讨论了控制其噪声性能的架构选择，并描述了由Thorlabs公司开发的中红外超连续谱激光器产品的设计。

超连续谱系统通常由脉冲激光源（泵浦激光器）和非线性介质组成，非线性介质将泵浦激光器相对较窄的光谱展宽到一个或多个倍频程带宽。许多泵浦激光器架构和非线性材料已被用于产生超连续光。基于光纤的脉冲激光源作为泵浦激光器特别有吸引力，因为它们能够达到高平均功率，并且可以将此类激光器集成到紧凑且环境稳定的平台中。

用于光谱展宽的最常见的非线性介质是具有三阶（Kerr）非线性的单模波导。单模波导（例如光纤）具有与光纤激光泵浦源兼容的额外好处，因为泵浦源和波导之间可以通过直接熔接实现简单耦合。

超连续谱噪声和飞秒架构

使泵浦激光器光谱展宽以产生超连续谱的非线性过程，也会在输出光谱中引入显著的单次发射不稳定性。这种不稳定性会导致输出光谱在脉冲与脉冲之间波动，进而降低信号源的信噪比（SNR）。在某些应用中，由于SNR降低，超连续谱光源的更高亮度所获得的增益很容易被抹去。例如，当要求苛刻的应用（如在线过程监控）需要快速测量时，高SNR至关重要。还需要高SNR来可靠地探测低电平信号，这使得SNR优化成为超连续谱源开发的主要考虑因素。

超连续谱产生过程的稳定性（相干性）已经得到广泛研究，并且众所周知，飞秒（脉冲宽度小于100fs）泵浦源是实现稳定输出超连续谱的基本要求。首台商用的超连续谱光源，以及市场上的大多数产品都使用皮秒和纳秒泵浦架构，这些架构实施起来更简单，但却容易受到散粒噪声的挑战。虽然使用飞秒架构通常会增加系统的复杂性，但是过去几年中，飞秒锁模光纤激光器的出现和商业化，已使得此类光源更容易获得、更可靠且更便宜。飞秒泵浦的超连续谱系统，提供了一条通向低噪声、紧凑和坚固的高亮度宽带光源的新途径。

飞秒中红外超连续谱激光器

由于其固有的低噪声性能，基于飞秒泵浦架构的中红外超连续谱激光器，可以在许多光谱应用中发挥关键作用。这种光源的实现需要两个关键的构建模块：在中红外光谱区域内或附近工作的飞秒泵浦激光器，以及在中红外区域提供良好传输以及良好色散和非线性的非线性波导，用于在飞秒范围内展宽光谱。

为了满足第一个要求，Thorlabs公司开发了掺铥飞秒光纤激光器（产品型号FSL1950），其工作波长接近 2.2µm，产生50MHz脉冲，脉冲宽度<100fs，平均功率>500mW。该激光器在基于石英光纤激光器系统可实现的最长波段中运行，从而能够在中红外区域高效产生超连续谱光源。石英有限的传输窗口（在约在2.3µm截止）需要使用基于不同材料系统的非线性波导，目的是将泵浦光谱扩展到中红外区域。

可以拉制成光纤的氟化铟玻璃，能提供高达5.5µm的传输窗口，覆盖了中红外波长区域的很大一部分（见图1）。所选的材料系统因其环境稳定性、机械强度和长期坚固性而特别有吸引力。该非线性氟化铟光纤，基于特殊的拉制工艺中采用阶跃折射率几何形状拉制，可精确控制其纤芯直径。通过对光纤几何形状的严格控制，使用自有拉制工艺设计和开发的具有最佳色散分布的光纤，可以在飞秒范围内，产生超连续谱并进入中红外区域。

图1：由氟化物玻璃制成的光纤的衰减，与石英光纤相比，显示出明显更宽的中红外传输窗口。与氟化锆（ZrF4）玻璃相比，氟化铟（InF3）玻璃在中红外波段具有更宽的透射窗口。

Wavelength：波长

Attenuation：衰减

图2显示了由上述两个构建模块组成的飞秒中红外超连续谱系统的示意图。图2中的光谱演化图，显示了光纤中泵浦脉冲传播的数值模拟，其中横轴是波长，纵轴是沿光纤的传播距离。如模拟所示，从飞秒泵浦激光器产生的大约 2.2µm的脉冲，在光纤中传播的前几厘米内，被展宽到超过一个倍频程的带宽。

图2：对于用来自飞秒光纤激光源的2µm光泵浦的氟化物光纤（左图），超连续光谱随着光沿光纤传播而演化，光谱演化图如右图所示。

All-fiber femtosecond pump source at 2µm：2µm全光纤飞秒泵浦源

fluoride fiber：氟化物光纤

All-fiber coherent mid-IR supercontinuum source：全光纤相干中红外超连续谱光源

Wavelength：波长

Propagation length：传播长度

Supercontinuum evolution：超连续谱演化

将上述飞秒掺铥光纤激光器和中红外非线性光纤集成到全光纤平台中，就产生了紧凑型台式中红外超连续谱激光器SC4500。已开发出的自有熔接工艺促进了集成，用于连接将脉冲从泵浦激光器传输到非线性氟化物光纤的石英光纤。该熔接是使用Thorlabs公司的GPX系列玻璃加工系统的低功率灯丝熔接实现的。

单模光束质量

该系统测得的超连续谱如图3所示，涵盖了从1.3µm到超过4.5µm的几乎两个倍频程带宽。结果显示与图2中所示的数值模拟非常吻合。产生此宽带需要使用适度长度的非线性光纤（短于20cm），从而使相干区域中的超连续谱产生成为可能，以最小化该光源的光谱噪声。

图3：紧凑型台式中红外超连续谱激光器（b）的超连续谱（a）。光谱是在没有吹扫激光腔的情况下获得的。在2.7μm附近看到的精细结构，是由于测量装置光路中的水和CO2吸收造成的。4.2μm处的急剧下降也是由于CO2吸收所致。

超连续谱光源的一项关键优势在于其单模光束质量，从而提高了亮度水平。图4给出了SC4500的单模圆形光束轮廓与热光源产生的准直光束进行比较。这种光束质量的对比，可以体现在某些关键应用中的重大性能提升中。一个例子是在开路气体分析仪中使用宽带中红外光源，其中需要数百米的长距离光束传播。另一个例子是在成像应用中，与使用传统非相干光源相比，来自激光器的衍射限制的聚焦光束，可以提供好得多的空间分辨率。

图4：SC4500的单模圆形光束轮廓（上图）与热光源产生的准直光束形成对比，后者在空间上是非相干的（下图）。

通过仔细考虑各种方法和架构的权衡，可以实现高亮度、良好光束质量、宽光谱覆盖和输出稳定性等关键理想特性。在上述具体工作中，所有这些关键性能指标，均以坚固且紧凑的全光纤台式解决方案提供，这将开辟出新的应用空间。