超連續(xù)譜激光器原理及應用研究

田卓承

（北京工業(yè)大學材料與制造學部激光工程研究院，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，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)譜激光器引起了國內外科研人員的廣泛關注，在許多領域都得到了應用。本文將從工作原理、基本結構、應用領域等方面對其進行闡述。

1.1 超連續(xù)譜激光產(chǎn)生原理

超連續(xù)譜激光的產(chǎn)生是各種光學非線性效應的集中體現(xiàn)。當一束峰值功率足夠高的激光在非線性介質中傳輸時，介質會對這一入射激光產(chǎn)生非線性響應，激發(fā)出自相位調制、受激喇曼散射、調制不穩(wěn)定性、四波混頻、孤子自頻移等各種非線性效應。在非線性效應和介質對入射激光色散的共同作用下，入射激光的光譜將在介質中發(fā)生強烈的非線性展寬，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)譜激光器基本結構

超連續(xù)譜激光器一般由驅動與控制系統(tǒng)、光學系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，光學系統(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，在另外兩個系統(tǒng)的配合下可輸出超連續(xù)譜激光。隨著光纖激光技術和光纖制備工藝的不斷發(fā)展進步，光纖激光泵浦源憑借其轉換效率高、光束質量好、熱管理簡單、結構緊湊等優(yōu)勢成為了超連續(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，將其作為非線性介質為超連續(xù)譜激光器注入了很大的活力，PCF的結構經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和改進，現(xiàn)已可滿足紫外到可見、近紅外到中遠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)生和傳輸過程變得更加簡單可控。

圖1 超連續(xù)譜激光器基本結構圖

激光器的驅動與控制系統(tǒng)為高能激光泵浦源供電，控制激光器的開啟、關閉、輸出功率的大小，并實時顯示其工作狀態(tài)。冷卻系統(tǒng)負責帶走激光器運行過程中高能激光泵浦源和非線性介質產(chǎn)生的熱量，保證光學系統(tǒng)中的各個元器件在安全溫度范圍內穩(wěn)定運行。

2 超連續(xù)譜激光器的應用

超連續(xù)譜激光器最顯著的特征也是最大的優(yōu)勢，就是可以同時輸出光譜范圍非常寬的激光，經(jīng)過多年的發(fā)展，在生物醫(yī)學成像、高光譜激光雷達、血液檢測、軍事光電對抗等應用領域彰顯出了重要的應用價值，得到了廣泛應用。

2.1 生物醫(yī)學成像

在生物醫(yī)學成像領域中，多標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，可以快速改變出射波長的激光光源。超連續(xù)譜激光器的光譜覆蓋范圍大，可以實現(xiàn)激光波長的自由選擇，通過衰減片改變輸出功率，可在不損壞樣品的情況下達到最佳的激發(fā)效率，在進行顯微成像時超連續(xù)譜會同時激發(fā)多種標記熒光染料，分光后可以獲取多波長熒光顯微圖像。通過觸發(fā)快門式超連續(xù)譜光源，現(xiàn)已成功進行了人體白細胞各種亞類分類。光學相干層析成像(optical coherence tomograph，OCT)是一種三維層析成像技術，通過OCT技術可以重構生物組織內部結構的二維或三維圖像，采用了1150~2400 nm的超連續(xù)譜激光源，實驗獲得了3.5μm 的縱向分辨率，該技術目前已應用于眼球的活體成像，圖2為人眼活體全眼前節(jié)大視場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

高光譜激光雷達是高光譜成像技術和激光雷達測距技術的結合，高光譜激光雷達采用超連續(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，在林木病蟲害樣本研究、水稻產(chǎn)量監(jiān)測研究等農(nóng)林業(yè)相關領域展現(xiàn)出了獨特的應用潛力。作為一種新型的主動遙感技術，高光譜激光雷達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雜地形調查。此外，因為激光可以穿透樹葉縫隙，高光譜激光雷達可以實現(xiàn)對植被覆蓋下的地表測繪和目標識別，在軍事探測中也發(fā)揮了重要作用。

2.3 非接觸式血液檢測

為了防止我國物種資源的流失和外來物種的入侵，進出口領域需要對全血制品進行重點監(jiān)測管控。傳統(tǒng)的血液檢測方法為基于流式細胞術的開放式檢測，該方法采用接觸性采樣，血液樣本中如果攜帶致病因子，很可能會損害檢測人員的身體健康，在測量過程中也可能會造成全血樣本污染。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，可實現(xiàn)非接觸式血液分類檢測與鑒別，為我國管控血樣進出口和基因保護提供有效的技術手段。

2.4 軍事光電對抗

在軍事光電對抗中，利用高峰值功率、高重復頻率的脈沖激光打擊目標物體配備的光電傳感器、CCD探頭等光學檢測元件可對其造成軟殺傷，使其短暫性無法工作，達到光電對抗的效果。但是，目前已發(fā)展出了多種激光防護技術以保護光電傳感器不被激光損壞，比如在光電探測器前安裝濾光片，用來對特定波長的干擾激光進行濾除，而其他包含有用信息波長的激光可以正常接收；或者是在光電探測器前安裝電控或光控的快門，當探測器接收到激光告警或檢測到干擾激光的強度達到一定程度時，快門會迅速關閉，將干擾激光擋住。這些技術手段給光電對抗帶來了很大的難題，常見的激光波長通過濾光片后輕易地被濾掉，重復頻率較低的激光脈沖會觸發(fā)快門裝置，無法達到光電對抗的效果。超連續(xù)譜激光器可以在同一時間輸出超寬的激光光譜，成為了光電對抗的理想光源，當各波長的激光同時作用到光電探測器上時，光電探測器的濾波片無法將全部波長濾除，防護快門也被突破，使得光電探測器失去了激光防護，有效提升了光電對抗的效能。

3 超連續(xù)譜激光器發(fā)展趨勢

從上述應用中可以看到，超連續(xù)譜激光器已取得了長足的發(fā)展，隨著這技術應用的進步，超連續(xù)譜激光器被提出了更高的要求，未來其發(fā)展趨勢如下：（1）超連續(xù)譜激光器的輸出功率將不斷提高。激光在傳輸過程中存在損耗，傳輸距離越遠、損耗越大，提高超連續(xù)譜激光輸出功率可實現(xiàn)遠距離傳輸，以滿足不同應用場景的需求。（2）超連續(xù)譜激光器的能量轉化效率將提高。能量轉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期工作的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。（3）超連續(xù)譜激光器的光譜范圍將進一步擴大，光譜的平坦度也將得到改善，一臺超連續(xù)譜激光器將可出現(xiàn)在多個應用場景中，應用率將得到很大提高?？梢韵胂?，未來，超連續(xù)譜激光器將面向更為廣闊的應用市場，在日常的生活、生產(chǎn)、工作中為我們的醫(yī)療監(jiān)測、健康診斷、安全出行等多方面保駕護航。

4 超連續(xù)譜激光器發(fā)展中面臨的問題

超連續(xù)譜激光器發(fā)展所面臨的最大問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中的功率大小。當高能激光泵浦非線性介質時，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失配，兩段光纖直接熔接必將會產(chǎn)生很大的熔接損耗，導致泵浦光的耦合效率低。在激光器的實際搭建過程中，需在兩段光纖之間加入模場匹配器，當兩端光纖的模場直徑相差較大時，模場匹配器的結構將變的復雜，激光器光學系統(tǒng)的結構也因為模場匹配器的加入變的很復雜。此外，模場匹配器和PCF的熔點無法完全避免損耗的引入，高功率泵浦光通過時會產(chǎn)生較大熱量，很難保證激光器的可靠性和長期工作穩(wěn)定性，超連續(xù)譜激光器的輸出功率水平因此受限。隨著光纖熔接設備、低損耗激光耦合技術以及低損耗光纖制備技術正在迅速發(fā)展，超連續(xù)譜激光器若采用這些設備和技術，有望實現(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：首先，超連續(xù)譜激光器的光路結構簡單，系統(tǒng)整體的熔接損耗小。該方案無需進行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，模場失配和熔接損耗小。其次，光纖放大器更容易實現(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，因為增益光纖的非線性系數(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有得到充分拓展。

5 結語

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