超連續(xù)譜激光：超乎尋常的新型光源

文 王握文 朱晰然 張斌

在光學(xué)領(lǐng)域，激光具有亮度高、單色性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，被譽(yù)為“最亮的光、最快的刀、最準(zhǔn)的尺”。它的廣泛應(yīng)用，帶來一系列創(chuàng)新創(chuàng)造，推動(dòng)了人類科學(xué)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

激光誕生十年后的1970年，一種新的激光光源——超連續(xù)譜激光橫空出世。它與一般的單色性（窄譜）普通激光不同，是一種具有極寬光譜的多色激光。其光譜寬度在100納米以上，甚至可達(dá)上萬納米。

源自激光，光纖成為“沃土”

超連續(xù)譜激光的誕生，似乎“違背”了線性光學(xué)常識(shí)和規(guī)律。因?yàn)槌B續(xù)譜激光具有像普通白光一樣寬的光譜范圍。而在傳統(tǒng)線性光學(xué)理論中，白光雖能分解為各種顏色的單色光，但一束單色光不可能直接變成白光。也就是說，人們不能直接獲得超連續(xù)譜（寬光譜）光源。

不可思議的是，1970年，美國科學(xué)家阿拉諾和夏皮羅將一束準(zhǔn)單色的綠光——皮秒脈沖激光，注入固體非線性介質(zhì)（一種特殊的光學(xué)玻璃）中，意外獲得了400到700納米的白光輸出。

單色綠光竟變成了復(fù)合的白光，光譜寬且連續(xù)。這一偶然的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，迅速震驚了光學(xué)界。從此，一種新型光源——超連續(xù)譜激光誕生了。

產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的背后機(jī)理，是強(qiáng)激光與介質(zhì)間非線性相互作用的結(jié)果。即當(dāng)一種或多種準(zhǔn)單色的強(qiáng)激光“種子”在介質(zhì)（如玻璃、氣體等）這片“土壤”中傳播時(shí)，光波的電場強(qiáng)度足以與介質(zhì)原子內(nèi)部的電場相比擬。此時(shí)，“種子”光與介質(zhì)“土壤”相互作用，產(chǎn)生了“非線性效應(yīng)”。這一效應(yīng)使單色激光的光譜像發(fā)生“基因突變”一樣，向短波和長波拓展。新產(chǎn)生的光譜成分又會(huì)連續(xù)不斷地向兩側(cè)拓展。最終，一個(gè)窄帶光譜拓展成一個(gè)超寬連續(xù)譜，即超連續(xù)譜。

早期產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的“土壤”并不理想，主要集中在固體、氣體和液體等常規(guī)非線性介質(zhì)中。這不僅需要極高峰值功率的入射激光“種子”，而且傳輸損耗大、光束質(zhì)量不高，難以達(dá)到應(yīng)用要求。

20世紀(jì)80年代，低損耗光纖的誕生與應(yīng)用，為超連續(xù)譜激光提供了一片極佳的“沃土”。光纖能將激光約束在微米量級的光纖纖芯中，增強(qiáng)了激光與介質(zhì)相互作用的非線性效應(yīng)。同時(shí)，還能增加傳輸和相互作用距離，提升輸出光束質(zhì)量。

1996年，英國南安普敦大學(xué)的科研人員研制出一種非常適合超連續(xù)譜形成的光子晶體光纖。它具有更高非線性系數(shù)、更靈活可調(diào)色散的特性，在超連續(xù)譜激光研究中具有里程碑意義。從此，超連續(xù)譜激光的研究和應(yīng)用得到飛速發(fā)展。

如今，在軟玻璃光纖、拉錐光纖等越來越多的新型光纖中，可產(chǎn)生超連續(xù)譜激光，科學(xué)家還將超連續(xù)譜激光產(chǎn)生的“土壤”縮小至氮化硅等硅基波導(dǎo)上，使其能與現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)片上兼容，有望拓寬硅基光子學(xué)的應(yīng)用。

性能出眾，優(yōu)勢集于一身

超連續(xù)譜激光一經(jīng)誕生，就以其獨(dú)一無二的光源特性，驚艷了整個(gè)光學(xué)界。它不僅具有激光亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好等特點(diǎn)，還可擁有和太陽光類似的寬光譜性能。

光色絢麗多彩。超連續(xù)譜激光經(jīng)常被形象地稱為白光激光，但它所涵蓋的波段遠(yuǎn)不只處于可見光波段的白光，而從最早的可見光波段拓展至紫外、近紅外、中遠(yuǎn)紅外波段，不同波段的超連續(xù)譜激光在應(yīng)用方面也各有所長。可以說，超連續(xù)譜激光是一種比白光更絢麗多彩的多色光。

光譜范圍寬且亮度高。與普通激光的窄譜特性相比，超連續(xù)譜激光光譜極寬（如上所說，可達(dá)上萬納米），且是連續(xù)展寬。這一寬譜優(yōu)勢，能覆蓋眾多波段。有計(jì)算表明，以常見的峰值功率在10兆瓦量級、時(shí)域重頻在千赫茲的飛秒超連續(xù)譜光源為例，其照射在單位面積上的激光功率是太陽輻照功率密度的700余倍。超連續(xù)譜激光的高亮度由此可見一斑。

時(shí)域靈活可控。超連續(xù)譜激光有連續(xù)波激光、納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等，可根據(jù)不同應(yīng)用需求，做不同重復(fù)頻率、不同脈寬激光的選擇。比如，在光纖通信中需要高重復(fù)頻率的超連續(xù)譜激光光源，在光學(xué)相干層析技術(shù)中一般使用脈寬飛秒量級的超連續(xù)譜激光光源。與此同時(shí)，綜合調(diào)節(jié)時(shí)域參數(shù)，還可實(shí)現(xiàn)對特定形狀、特定譜寬超連續(xù)譜激光的量身定制。

超連續(xù)譜激光器

潛力驚人，助推軍事變革

激光作為20世紀(jì)的重大發(fā)明，一誕生便照亮了世界。比普通激光性能更加優(yōu)越的超連續(xù)譜激光，應(yīng)用前景十分廣闊。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于超連續(xù)譜激光光源的光學(xué)相干層析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對視網(wǎng)膜和冠狀動(dòng)脈等活體組織的三維成像和臨床診斷；在食品安全領(lǐng)域，利用超連續(xù)譜激光光源照射被測樣品，可在短時(shí)間內(nèi)采集到樣本的吸收光譜和透射光譜，從而實(shí)現(xiàn)對食品的快速檢驗(yàn)；在通信領(lǐng)域，超連續(xù)譜激光光源可充當(dāng)“運(yùn)輸超人”的角色，應(yīng)用在波分復(fù)用通信系統(tǒng)，成為當(dāng)今信息時(shí)代的“及時(shí)雨”；在成像領(lǐng)域，超連續(xù)譜激光光源正在照亮大到器官、小到分子的物體，幫助人類更加清晰地探知世界。

在軍事領(lǐng)域，超連續(xù)譜激光光源因其與眾不同的性質(zhì)，被美、俄、法等國開發(fā)應(yīng)用于光電對抗、戰(zhàn)場感知、軍事通信等方面，可望帶來變革性影響。

光電對抗將勝人一籌。目前，采用主動(dòng)紅外對抗的方法，利用高亮度的紅外激光對敵方光電設(shè)備進(jìn)行壓制、破壞，是保證航空飛行器安全的重要手段。與輸出波長單一、調(diào)諧困難的光參量振蕩器和量子級聯(lián)激光器相比，超連續(xù)譜激光光源具有空間相干性好、光譜范圍寬的先天優(yōu)勢，有可能覆蓋敵方光電傳感器全波段，使其無法采用窄帶濾波和光學(xué)陷波等方法進(jìn)行防護(hù)，是光電對抗的理想光源。尤其是位于中紅外波段（2500～5000納米）的超連續(xù)譜激光光源，可覆蓋常見紅外熱尋導(dǎo)引頭的典型工作波段。這樣，就可有效實(shí)現(xiàn)對敵方精確制導(dǎo)武器的干擾及致盲。目前有報(bào)道稱，美軍已將包含中紅外超連續(xù)譜激光光源的定向紅外對抗系統(tǒng)，裝配在大型飛機(jī)和直升機(jī)底部，并配備旋轉(zhuǎn)臂以掃描飛機(jī)周圍可疑目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的干擾，最終使其偏離固定軌跡、脫離目標(biāo)。

戰(zhàn)場感知將更加精準(zhǔn)。超連續(xù)譜激光的寬帶特性，可覆蓋常見氣體（如二氧化碳、甲烷、氨氣等）的“吸收峰”，實(shí)現(xiàn)對多種氣體的同步、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測。同時(shí)，超連續(xù)譜激光光源空間相干的特性，使其與氣體混合物有著很長的相互作用長度，能顯著提升探測靈敏度，實(shí)現(xiàn)對極微量氣體分子的探測。德國伊爾默瑙理工大學(xué)還利用超連續(xù)譜激光器與光學(xué)短通濾光片耦合，以較高的空間分辨率，測量出大氣湍流的溫度場和速度場，有望助力于天氣預(yù)測。此外，以超連續(xù)譜激光作為照明光源的主動(dòng)高光譜成像技術(shù)，已被一些發(fā)達(dá)國家應(yīng)用于各種探測任務(wù)。與傳統(tǒng)成像照明光相比，寬譜超連續(xù)譜激光可在超遠(yuǎn)距離對目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)主動(dòng)照明，更有助于鑒別偽裝目標(biāo)，提高目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率，增加敵方防御難度。

海量數(shù)據(jù)將更快傳輸。通過光譜濾波技術(shù)，切割超連續(xù)譜激光光源，理論上可得到任意個(gè)波分復(fù)用光源。這種高重復(fù)頻率、多波長的相干脈沖光源，是實(shí)現(xiàn)高速、大容量光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。日本已能利用超連續(xù)譜激光光源產(chǎn)生1064個(gè)信道的多波長光源，實(shí)現(xiàn)2.7太比特/秒的高速光纖通信。一個(gè)超連續(xù)譜激光光源能“以一頂千”，取代上千個(gè)普通激光光源。這將為需要傳輸海量數(shù)據(jù)的信息化聯(lián)合作戰(zhàn)提供高速、緊湊的技術(shù)支撐。而在自由空間通信領(lǐng)域，有研究團(tuán)隊(duì)證明，采用超連續(xù)譜激光光源作為部分相干高速載波，能有效抑制大氣湍流造成的光強(qiáng)閃爍，并實(shí)現(xiàn)16吉比特/秒的通信速率。未來，如果將基于超連續(xù)譜激光光源的空間通信技術(shù)作為一種戰(zhàn)場應(yīng)急通信方案，那么在應(yīng)用于突發(fā)事件、局部戰(zhàn)爭等情況時(shí)，將會(huì)更加得心應(yīng)手。

隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝水平提升，未來超連續(xù)譜激光將朝著平均功率更高、光譜更寬、光束質(zhì)量更好的方向發(fā)展。