超连续谱光源

什么是 超连续光源?

超连续光源是一种特殊的激光器，能够发出异常宽广且连续的光谱，超出可见光谱的范围。超连续光是一个光学现象，通过非线性过程生成宽广且连续的光谱。"超连续"这个名称源于所生成的光谱覆盖了一个"超"或极宽的波长连续体。作为一种紧凑的光源，超连续光源覆盖从400nm到2400nm的广泛光谱，类似于阳光。该现象最早由Alfano和Shapiro于1970年观察到。从那时起，超连续光源在光谱学、显微镜、通信和频率计量等多个领域找到了应用，这得益于其提供多功能和独特光源的能力。

超连续光生成（SCG）是一个通过超短高功率脉冲（通常在皮秒范围内或更短）在固体、液体或气体非线性介质中传播而产生的过程。这些强激光脉冲触发各种非线性现象，如受激拉曼散射、自相位调制、交叉相位调制和四波混频。光谱的宽度及其特定光谱位置取决于泵浦的功率和类型，以及介质的非线性和色散特性。

这是一种非线性现象，通过利用光学非线性显著扩展光谱，使得入射光转换为多种频率。这个过程涉及将激光光转化为一个极宽的光谱范围。这种光谱扩展显著降低了时间相干性，同时通常保持较高的空间相干性。

 超连续光源的工作原理

超连续光源通常从生成强激光脉冲开始。这个脉冲通常由锁模激光器生成，产生短而强的光束。然后将激光脉冲导入非线性介质中。这个介质通常是特制的光纤，尽管其他非线性晶体或气体也可以使用。当强激光脉冲在非线性介质中传播时，各种非线性光学效应随之发生。一些关键效应包括：

• 自相位调制（SPM）：介质的强度依赖折射率导致脉冲不同部分的相位偏移，从而导致光谱扩展。
• 受激拉曼散射（SRS）：光子能量转移到介质的振动模式中，产生额外的光谱成分。
• 四波混频（FWM）：脉冲不同光谱成分之间的相互作用生成新的频率。

这些非线性效应共同显著扩展了初始激光脉冲的光谱带宽，导致超连续光的产生。这些源通常表现出较低的时间相干性，表明不同波长在时间上没有相关性。然而，它们可以保持较高的空间相干性，这使得能够进行聚焦和定向发射。

另一种方法是通过具有波导结构的光纤传输较低能量的脉冲，能够在小有效模区内实现延长传播。光子晶体光纤因其非常规的色散特性而显得尤为引人注目。这些光纤在较长的光程上促进了强烈的非线性相互作用，产生了显著宽的光谱，通常被称为“激光彩虹”。

在超连续光的生成中，光纤通常被广泛应用。由于强模式约束，光子晶体光纤因其可定制的色散特性和通常增强的非线性而受到青睐。此外，一些不太常见的解决方案包括使用锥形光纤，在短长度上提供高效的非线性相互作用，以及通过填充光子晶体光纤的气孔以气体（可能是拉曼活性气体）或高度非线性的液体（如四氯化碳或甲苯）进行的演示。

光纤中的超连续光生成依赖于色散、光纤长度、脉冲持续时间、峰值功率和泵浦波长等因素。使用飞秒脉冲时，自相位调制占主导地位，导致光谱扩展。在反常色散中，可以发生孤子（具有特定非线性和色散效应平衡的脉冲）动力学，包括孤子裂变。

超连续光源的应用

• 光谱学：超连续激光推动了逆拉曼散射、时间分辨吸收和激发光谱学及初级视觉过程的研究。凭借其广泛的波长覆盖，这些激光能够实现多种物质的同时检测。
• 显微镜：与传统的宽场显微镜相比，共聚焦和多光子显微镜需要使用多个激光来构建3D样本图像。这一需求依赖于空间相干源以生成小的衍射极限点，同时保持高分辨率。这种复杂性和显微镜的高成本可以通过采用超连续激光来缓解，后者提供广泛的光谱覆盖，同时保持单色激光的特性。
• 电信：超连续激光的一个关键应用是作为多波长源，关键于波长分复用系统。这些系统使得可以通过同一光纤传输多个信息通道。除了作为极好的宽带源外，超连续激光凭借其超短脉冲支撑现代通信系统的基础。
• 光纤特性表征：超连续激光在光纤特性表征等应用中发挥着重要作用。随着新型光纤的出现，具有多样化的特性以适应特定应用和技术，使用超连续激光高效且经济地表征这些光纤变得至关重要。它们能够使用单一仪器在特定波长下测量衰减和色散特性。
• 频率梳：在光学计量应用中，频率梳作为高精度的频率“尺”，表现为具有均匀分隔频率峰的光谱。利用超连续光源在实现这一点中至关重要，因为它们的光谱范围至少跨越一个光学八度。
• 生物光子学中的超连续光源：在生物光子学领域，包括光学成像、激光手术和光疗，操控光源在患者、样本或生物物质上更为理想。超连续光纤激光解决了为各种实验使用多个激光源的挑战。它们使用单一光源实现多样的实验和测试。此外，超连续激光在紫外和红外范围的演变为众多生物医学应用提供了出色的光源。光学相干断层扫描（OCT），类似于超声波但非侵入性地成像组织，越来越依赖低噪声的超连续激光以捕获更高质量的图像。