超连续激光器： 发现与应用

简介
超连续激光器是一种特殊类型的激光器，能发出极宽的连续光谱。这种激光器在发明之初被称为 "白光 "激光器，因为其发射的光谱由波长介于 380 纳米和 700 纳米之间的可见光谱组成。一般来说，"超连续 "一词包含所有类型的光谱拓宽输出，包括不可见光区域的输出。

在这篇博文中，我们将讨论超连续产生的过程及其发现，以及迄今为止超连续激光器的主要应用。

超连续产生的背景
当皮秒量级或更短的高功率超短脉冲穿过固体、液体或气体非线性介质时，就会产生超连续。高强度的激光脉冲会诱发大量非线性过程，包括受激拉曼散射、自相位调制、跨相位调制和四波混合。泵浦的类型和功率以及介质的色散和非线性特性决定了发射光谱的宽度及其光谱位置。

微结构光纤（MOF）的横截面。由 ScienceDirect 提供。

例如，在 1500 纳米波长下对色散位移光纤进行泵浦，会产生从 1300 纳米到 1700 纳米的光谱。这是对光纤材料进行处理以消除其色散特性的结果。另一方面，采用特殊设计的微结构光纤可产生包含可见光范围并延伸至近红外区域的光谱。

在微结构光纤中产生的超连续光显示出可见光谱的颜色。维基共享资源提供。

超连续光产生的发现
1970 年，阿尔法诺和夏皮罗首次观测到超连续光的产生，当时他们开始将超短激光脉冲射穿液体或玻璃等凝聚介质。他们进行了一系列实验，试图描述非线性材料在凝结或液体等不同状态下的自相位调制特性，但最终获得了突破性发现。他们在块状玻璃中记录到了从 400 纳米到 700 纳米的光谱带，也就是所谓的白光。这一现象在发现后的二十多年里一直被称为频率展宽、白光生成和异常频率展宽。

直到 1980 年，"超连续 "一词才被用来描述这种光的产生过程。20 世纪 70 年代左右二氧化硅光纤的发明也推动了对超连续光产生的各种关键物理过程的研究。然而，直到 20 世纪 90 年代，人们发现了超连续光源在电信领域的潜在应用，并在非线性光纤领域取得了重大进展，人们才对开发超连续光源产生了浓厚的兴趣。

超连续激光器的六大应用
超连续光源具有如此独特的特性，因此在许多应用中都大有用武之地，尤其是当这种光源可以商业化供应时。下面我们就来看看其中的几种应用：

1. 光谱学
超连续激光器发明后不久就被应用于光谱学领域，多年来一直是这一领域的主力军。超连续激光光谱学帮助推进了反向拉曼散射、时间分辨吸收和激发光谱学以及初级视觉过程的研究。由于超连续激光的波长覆盖面广，因此可以同时检测多个物种。

2. 显微镜 
与传统的宽视场显微镜不同，共焦显微镜和多光子显微镜需要使用多个激光器来形成标本的三维图像。使用其他光源无法满足这一要求，因为只有空间相干光源才能产生小的衍射极限光斑并保持高分辨率。这就增加了显微镜的复杂性和成本。幸运的是，超连续激光的使用提供了广泛的光谱覆盖范围，同时具有与单色激光相同的特性。

3. 电信
超连续激光器最重要的应用之一可能是作为多波长光源，对波分复用系统至关重要。这可以创建多个信息通道，通过同一根光纤进行传输。


波分复用示意图，显示同一超连续光源产生的不同数据通道如何通过同一链路传输。维基共享资源提供。

超连续激光器不仅是一种出色的宽带光源，其超短脉冲也是现代电信系统的基础。

4. 光纤特性
超连续激光器作为多波长光源对于光纤表征等应用也至关重要。为了满足特定应用和技术的需要，具有不同特性的新型光纤不断问世。超连续激光器是表征这些光纤的最简单、最经济、最方便的方法。这些激光器可在特定波长测量光纤的衰减和色散特性，同时使用同一台仪器。

5. 频率梳
频率梳对光学计量应用至关重要，可用作高精度频率 "标尺"。频梳是由若干个频率峰等距分开的光谱。使用超连续光源可以实现这一目的，因为超连续光源的特点是光谱宽广，至少跨越一个光倍频程。

6. 生物光子学中的超连续光源
生物光子学的研究和应用包括光学成像、激光手术和光疗，长期以来一直造福于人类的健康和福祉。在大多数应用中，最好是操纵光源而不是病人、样本或生物物质，在某些情况下，需要使用完全不同的光源，以避免损坏被测样本。尽管激光的发明极大地支持了生物光子学领域的发展，但要成功完成某些实验，仍然需要多个激光源。超连续光纤激光器的发明解决了这一问题。使用同一个激光源可以进行不同的实验和多项测试。

此外，超连续激光器在紫外线 UV 和红外线 IR 范围内的发展，为一些生物医学应用提供了极好的光源。

另一个值得一提的生物光子应用是光学相干断层扫描（OCT）。它相当于超声波，是一种无创的组织成像技术。如今，许多 OCT 系统都依靠低噪声超连续激光器来捕捉更好的图像。

概述 
超连续激光的发现与非线性光纤和波导的发明相辅相成，使得超连续激光能够快速、简便地应用于一些领域。使用这种技术的最大优势之一是其多波长特性和宽光谱范围，可根据特定应用的需要进行调整。