封面 | 中红外光源新秀：中红外超连续谱激光

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为了推动我国中红外激光技术及应用向纵深发展，《中国激光》推出“先进中红外激光技术及应用”专题。专题收录论文24篇，内容涵盖国内19个重点单位在中红外激光功能材料与器件、中红外全固态激光器、中红外量子级联激光器、中红外超连续谱等领域的前沿进展，希望能为国内同行带来新的学术参考。

专题封面文章来源于国防科技大学侯静研究员课题组，文章聚焦于3~5 μm 波段超连续谱激光，总结了光谱覆盖3~5 μm的中红外高功率超连续谱光纤激光器的发展现状，并对其发展趋势进行了展望。

原文链接：http://www.opticsjournal.cn/Articles/Abstract/zgjg/49/1/0101001.cshtml

封面 | 杨林永, 张斌, 侯静. 高功率3~5微米波段超连续谱光纤激光研究进展[J]. 中国激光, 2022, 49(1): 0101001

封面解读

封面展示了目前典型的高功率中红外超连续谱激光器的技术方案和光谱演化过程。中红外波段在光波段乃至整个电磁波谱中都是一个较为特殊的波段。在中红外波段中，有众多分子的特征吸收谱线，因此，中红外波段也被称为“分子指纹谱”区。中红外光纤超连续谱激光是基于中红外光纤色散和非线性效应实现的中红外波段宽谱光源，具有光谱范围宽、亮度较高、光束质量高等特点。

背景介绍

自发明伊始，激光就因高单色性、高亮度、高相干性等特点成为光学领域的研究热点。随着调Q、锁模等超短脉冲激光技术的发展，激光脉冲的峰值功率不断提升，这为高峰值功率条件下介质对光响应特性研究的开展提供了条件。

当低峰值功率激光在介质中传输时，介质对激光的响应是线性极化，不产生新的频率成分（新的波长）；当激光的峰值功率足够高时，介质中的束缚电子将在入射电场的感应下发生非线性极化，即介质对入射激光产生非线性响应，新的频率成分由此产生。主导这个过程的效应被称为非线性效应，主要包括调制不稳定性（MI）、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、受激拉曼散射（SRS）、四波混频（FWM）、拉曼孤子自频移（Raman SSFS）等。

在色散和非线性效应的作用下，激光光谱在介质中发生强烈的非线性展宽，这一现象被称为超连续谱（SC）的产生，输出光被称为超连续谱激光。

与卤素光源等传统宽谱光源相比，超连续谱激光的空间相干性好且亮度高；另外，与传统激光单色性高的特点不同，超连续谱激光具有很宽的光谱范围。因此，超连续谱激光在要求宽光谱、高光束质量的光谱学、环境监测、国防安全、测绘计量、生物医学等领域中得到了广泛的应用。

超连续谱光纤激光器主要包含泵浦源和非线性光纤两大部分。其中，泵浦源为非线性光纤提供输入激光，是超连续谱激光器的“驱动器”，具体为多种形式的激光器或放大器；非线性光纤是超连续谱激光产生的媒介，是“超连续谱激光产生器”或“光谱展宽器”，具体是具有不同色散和非线性特性的光纤。

由于介质的色散特性、泵浦光（入射介质的激光）的脉冲宽度、泵浦光波长所处的色散区域以及距离零色散波长（ZDW）的远近不同，在超连续谱产生过程中起主导作用的非线性效应也不同。表1给出了不同色散和脉冲宽度下起主导作用的非线性效应。

表1 不同色散和脉冲宽度下起主导作用的非线性效应

近年来，随着光纤激光技术的进步，各个波段（可见光、近红外、中红外）的超连续谱激光均得到了长足的发展。中红外波段因众多分子特征吸收谱线的存在而被称为“分子指纹谱区”，中红外波段的超连续谱激光受到研究人员的重点关注。受限于较高的声子能量导致的长波区域高损耗，石英光纤无法用于产生和传输中红外波段激光；以氟化物光纤、碲化物光纤、硫系玻璃光纤等为代表的软玻璃光纤在中红外波段损耗低，成为产生中红外超连续谱激光的主要光纤。

按照非线性光纤是否为有源光纤，可将中红外超连续谱光纤激光器分为两大类，即基于无源非线性光纤的中红外超连续谱光纤激光器和基于光纤放大器的中红外超连续谱光纤激光器。

基于无源非线性光纤的高功率中红外超连续谱激光器主要采用光纤激光泵浦的方案，典型构型为“高峰值功率脉冲激光器+非掺杂非线性光纤”，主要由脉冲种子源、若干级光纤放大器（含若干级预放大器以及一级主放大器）和非线性光纤组成，如图1所示。

该方案往往采用较为成熟的高功率1.5 μm或2 μm波段的光纤激光光源作为泵浦源。将光纤放大器输出的高峰值功率激光脉冲耦合进非线性光纤中，在光纤色散和非线性效应的作用下实现非线性光谱展宽，获得中红外超连续谱激光输出。目前平均功率在10 W以上的中红外超连续谱激光器均基于此方案实现。

图1 基于无源非线性光纤的中红外超连续谱激光器技术方案。ISO，隔离器；AMP，放大器；BP，带通滤波器

基于光纤放大器的中红外超连续谱激光器，典型构型为“脉冲激光器+中红外光纤放大器”，主要由中红外波段脉冲种子源和中红外光纤放大器组成，如图2所示。

这种超连续谱激光器将脉冲峰值功率提升与非线性光谱展宽过程集中到有源中红外光纤（即最后一级光纤放大器）中，在光纤放大器中直接产生中红外超连续谱激光。因此，这种超连续谱激光器的结构更加紧凑，且在电-光转换效率方面具有一定优势。

图2 基于光纤放大器的中红外超连续谱激光器技术方案。ISO，隔离器；AMP，放大器

国防科技大学侯静研究员课题组聚焦于3~5 μm 波段超连续谱激光，总结了光谱覆盖3~5 μm的中红外高功率超连续谱光纤激光器的发展现状，主要包括基于无源氟化物光纤的3~5 μm波段高功率超连续谱激光器、基于有源氟化物光纤的3~5 μm波段高功率超连续谱激光器以及基于其他无源非线性光纤的3~5 μm波段高功率超连续谱激光器，并对其发展趋势进行了展望。

关键技术进展

• 基于无源氟化物光纤的3~5 μm波段高功率超连续谱激光器
  

无源氟化物光纤是最早、最广泛应用于中红外超连续谱光纤激光器中的中红外非线性光纤。基于无源氟化物光纤的高功率（输出功率10 W以上）中红外超连续谱激光的研究总结如表2所示。

从技术发展路径来看，无源氟化物光纤经历了泵浦源从“近红外波段（1.55 μm波段）光纤激光”到“短波红外波段（2 μm波段）光纤激光”再到“短波红外波段（2~2.5 μm波段）光纤激光”、耦合方式从“透镜耦合”到“端面对接”再到“光纤熔接”的发展。

从功率提升和光谱范围扩展的角度来看，高功率、长波长泵浦源和高效率低损耗耦合技术是提升无源ZBLAN光纤输出超连续谱激光性能的重要途径。国防科技大学研究团队成功将基于非掺杂ZBLAN光纤的高功率中红外激光器的输出功率提升至30 W量级^[1]。

虽然ZBLAN光纤输出的中红外超连续谱激光的平均功率不断提升，但光谱扩展明显受限于ZBLAN光纤的长波损耗谱。

同属氟化物玻璃的InF₃玻璃具有优于ZBLAN玻璃的长波透过性能，且其他理化参数与ZBLAN玻璃相近，因此，InF₃光纤也成为发展高功率中红外超连续谱激光的重要介质。利用InF₃光纤，百毫瓦级、瓦级以及十瓦级中红外超连续谱激光相继实现，对应的光谱长波边分别可达5.4、5.2、4.9 μm。

表3给出了目前基于InF₃光纤的中红外超连续谱激光器的参数。尽管与ZBLAN光纤相比，InF₃光纤用于中红外超连续谱激光的研究起步较晚，但近年来发展迅速，输出功率也已达到十瓦量级。国防科技大学研究团队基于InF₃光纤实现了平均功率11.8 W的中红外超连续谱激光，20 dB光谱范围1.96~4.77 μm^[2]。

• 基于有源氟化物光纤的3~5 μm波段高功率超连续谱激光器

基于无源非线性光纤的高功率中红外超连续谱激光器，由于泵浦波长多位于2.5 μm波段以下，泵浦光在产生中红外超连续谱激光的过程中向长波方向的转换不彻底，因此超连续谱激光光谱在2~3 μm波段存在相当比例的能量残余，3 μm以上光谱成分的功率占比一般不超过60%。

以3 μm波段脉冲激光作为种子，在有源ZBLAN光纤中放大的同时直接产生中红外超连续谱激光是提高长波功率比例的有效方法。

表4给出了已报道的基于ZBLAN光纤放大器的SC光源。目前，基于有源ZBLAN的中红外超连续谱激光，最大输出功率为4.96 W，光谱范围为2.7~4.2 μm，2020年由国防科技大学研究团队实现^[3]。

提高放大器的斜率效率和输出功率将是该类中红外超连续谱激光器性能提升的重要突破方向。

• 基于其他无源非线性光纤的3~5 μm波段高功率超连续谱激光器

除了上述无源氟化物光纤，近年来，研究人员还利用其他种类的无源非线性光纤，如氟碲酸盐玻璃光纤、硫系玻璃光纤等，在高功率3~5 μm波段超连续谱激光领域开展了研究工作。

目前，基于氟碲酸盐玻璃光纤（纤芯材料为70TeO₂-20BaF₂-10Y₂O₃）的中红外超连续谱激光的最大输出功率为22.7 W，光谱范围0.9~3.95 μm，由吉林大学研究团队实现^[4]。

在基于硫系玻璃光纤的中红外超连续谱激光方面，国防科技大学在国内率先开展了相关研究，并取得了系列研究成果。2019年，在硫系玻璃光纤中实现了光伏范围覆盖2~6 μm的中红外超连续谱激光^[5]；2020年，利用氟化物光纤输出的中红外超连续谱激光泵浦硫系玻璃光子晶体光纤，实现了光谱覆盖范围2.3-9.5 μm的中红外超连续谱激光^[6]。

2021年宁波大学研究团队报道了平均功率为1.13 W、光谱范围2~6.5 μm的中红外超连续谱激光^[7]。

总结与展望

工作在3~5 μm波段的中红外超连续谱激光在环境监测、生物医疗、测绘计量、国防安全等领域具有重要的应用前景。近年来，3~5 μm波段中红外超连续谱光纤激光器取得了长足的发展。

展望未来，其发展趋势主要有四点：

1）输出功率不断提高；

2）功率转换效率逐渐提高；

3）光谱特性不断优化；

4）泵浦波长逐渐向长波方向推进。

期待在不久的将来，高功率中红外超连续谱光纤激光从实验研究走向实际应用，在科研、生产和生活中发挥独特作用。

参考文献

[1] Yang L, Li Y, Zhang B, Wu T, Zhao Y, Hou J. 30-W supercontinuum generation based on ZBLAN fiber in an all-fiber configuration[J]. Photonics Research, 2019, 7(9): 1061-1065.

[2] Yang L, Zhang B, He X, Deng K, Liu S, Hou J. High-power mid-infrared supercontinuum generation in a fluoroindate fiber with over 2 W power beyond 3.8 μm[J]. Optics Express, 2020, 28(10): 14973-14979.

[3] Deng K, Yang L, Zhang B, Yao J, Hou J. Mid-infrared supercontinuum generation in an all-fiberized Er-doped ZBLAN fiber amplifier[J]. Optics Letters, 2020, 45(23): 6454-6457.

[4] Li Z, Jia Z, Yao C, Zhao Z, Li N, Hu M, et al. 22.7 W mid-infrared supercontinuum generation in fluorotellurite fibers[J]. Optics Letters, 2020, 45(7): 1882-1885.

[5] Yao J, Zhang B, Yin K, Hou J. 2-μm to 6-μm mid-infrared supercontinuum generation in cascaded ZBLAN and As2Se3 step-index fibers[J]. Chinese Physics B, 2019, 28(8): 084209.

[6] 姚金妹，张斌，侯静. 2.3-9.5 μm全光纤中红外超连续谱源 全光纤中红外超连续谱源[J]中国激光，2020，47(12): 1216002.

[7] Yan B, Huang T, Zhang W, Wang J, Yang L, Yang P, et al. Generation of watt-level supercontinuum covering 2-6.5 μm in an all-fiber structured infrared nonlinear transmission system[J]. Optics Express, 2021, 29(3): 4048-4057.

 课题组介绍 

国防科技大学前沿交叉学科学院超连续谱课题组以发展高功率光纤超连续谱激光为目标，开展了特种光纤设计及处理、脉冲光纤激光器、高功率可见光、近红外、中红外超连续谱激光产生及应用等方面的研究，所研制的高功率超连续谱激光器技术指标部分国际领先。课题组学术气氛浓厚、师生关系融洽，鼓励学生开拓创新思维，在光纤激光方向完成了系列创新性工作，两次入选“中国光学重要成果”，具有国际学术影响力。

 通讯作者简介 

侯静，女，国防科技大学前沿交叉学科学院研究员，博导，长期从事高能激光技术领域科研工作。曾主持国家自然科学基金重点项目、国际科技合作专项和863计划项目等。曾获国家科技进步二等奖1项（排名1），军队科技进步一等奖1项（排名1），湖南省技术发明一等奖1项（排名1）和自然科学一等奖1项（排名6）。曾获“王大珩光学奖”中青年科技人员光学奖、求是杰出青年实用工程奖和中国青年女科学家奖等。

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科学编辑 | 杨林永 侯静

编辑 | 沈灵灵

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