超连续谱激光器原理及应用研究

田卓承

（北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124）

1 超连续谱激光器工作原理

超连续谱激光器是一种宽光谱激光光源，它既具有传统激光器发光亮度高、空间相干性好的优点，还具有比宽光谱光源（如氙灯、超辐射发光二极管）更宽的光谱范围。凭借这些优异特性，超连续谱激光器引起了国内外科研人员的广泛关注，在许多领域都得到了应用。本文将从工作原理、基本结构、应用领域等方面对其进行阐述。

1.1 超连续谱激光产生原理

超连续谱激光的产生是各种光学非线性效应的集中体现。当一束峰值功率足够高的激光在非线性介质中传输时，介质会对这一入射激光产生非线性响应，激发出自相位调制、受激喇曼散射、调制不稳定性、四波混频、孤子自频移等各种非线性效应。在非线性效应和介质对入射激光色散的共同作用下，入射激光的光谱将在介质中发生强烈的非线性展宽，不断产生新的频率成分，最终形成光谱覆盖范围达到几百纳米的超连续谱，这种可以输出超连续谱激光的激光器被称为超连续谱激光器。

1.2 超连续谱激光器基本结构

超连续谱激光器一般由驱动与控制系统、光学系统以及冷却系统组成，如图1所示。其中，光学系统为激光器的核心部分，包含高能激光泵浦源和非线性介质，在另外两个系统的配合下可输出超连续谱激光。随着光纤激光技术和光纤制备工艺的不断发展进步，光纤激光泵浦源凭借其转换效率高、光束质量好、热管理简单、结构紧凑等优势成为了超连续谱激光器的主流泵浦源。光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)非线性系数高、色散特性灵活可调，将其作为非线性介质为超连续谱激光器注入了很大的活力，PCF的结构经过不断的创新和改进，现已可满足紫外到可见、近红外到中远红外不同波段超连续谱激光器的需求。将光纤激光泵浦源的能量注入到PCF中，既实现了超连续谱激光器的全光纤化，提升其稳定性，也使得超连续谱的产生和传输过程变得更加简单可控。

图1 超连续谱激光器基本结构图

激光器的驱动与控制系统为高能激光泵浦源供电，控制激光器的开启、关闭、输出功率的大小，并实时显示其工作状态。冷却系统负责带走激光器运行过程中高能激光泵浦源和非线性介质产生的热量，保证光学系统中的各个元器件在安全温度范围内稳定运行。

2 超连续谱激光器的应用

超连续谱激光器最显著的特征也是最大的优势，就是可以同时输出光谱范围非常宽的激光，经过多年的发展，在生物医学成像、高光谱激光雷达、血液检测、军事光电对抗等应用领域彰显出了重要的应用价值，得到了广泛应用。

2.1 生物医学成像

在生物医学成像领域中，多标记荧光显微成像的各种荧光染料具有不同的最佳激发波长，可以快速改变出射波长的激光光源。超连续谱激光器的光谱覆盖范围大，可以实现激光波长的自由选择，通过衰减片改变输出功率，可在不损坏样品的情况下达到最佳的激发效率，在进行显微成像时超连续谱会同时激发多种标记荧光染料，分光后可以获取多波长荧光显微图像。通过触发快门式超连续谱光源，现已成功进行了人体白细胞各种亚类分类。光学相干层析成像(optical coherence tomograph，OCT)是一种三维层析成像技术，通过OCT技术可以重构生物组织内部结构的二维或三维图像，采用了1150~2400 nm的超连续谱激光源，实验获得了3.5μm 的纵向分辨率，该技术目前已应用于眼球的活体成像，图2为人眼活体全眼前节大视场OCT断层成像。

图2 人眼活体OCT断层成像图

2.2 高光谱激光雷达

高光谱激光雷达是高光谱成像技术和激光雷达测距技术的结合，高光谱激光雷达采用超连续谱光源可获取全新类型的三维空间-光谱一体化数据，具有显著的信息提取优势，在林木病虫害样本研究、水稻产量监测研究等农林业相关领域展现出了独特的应用潜力。作为一种新型的主动遥感技术，高光谱激光雷达能够提供高一致性的光谱和空间几何信息，可广泛用于土地覆盖分类和复杂地形调查。此外，因为激光可以穿透树叶缝隙，高光谱激光雷达可以实现对植被覆盖下的地表测绘和目标识别，在军事探测中也发挥了重要作用。

2.3 非接触式血液检测

为了防止我国物种资源的流失和外来物种的入侵，进出口领域需要对全血制品进行重点监测管控。传统的血液检测方法为基于流式细胞术的开放式检测，该方法采用接触性采样，血液样本中如果携带致病因子，很可能会损害检测人员的身体健康，在测量过程中也可能会造成全血样本污染。采用超连续谱激光器研究全血在不同谱段的光学特性(吸收和反射)，建立血液样品差异性光谱特征数据库，可实现非接触式血液分类检测与鉴别，为我国管控血样进出口和基因保护提供有效的技术手段。

2.4 军事光电对抗

在军事光电对抗中，利用高峰值功率、高重复频率的脉冲激光打击目标物体配备的光电传感器、CCD探头等光学检测元件可对其造成软杀伤，使其短暂性无法工作，达到光电对抗的效果。但是，目前已发展出了多种激光防护技术以保护光电传感器不被激光损坏，比如在光电探测器前安装滤光片，用来对特定波长的干扰激光进行滤除，而其他包含有用信息波长的激光可以正常接收；或者是在光电探测器前安装电控或光控的快门，当探测器接收到激光告警或检测到干扰激光的强度达到一定程度时，快门会迅速关闭，将干扰激光挡住。这些技术手段给光电对抗带来了很大的难题，常见的激光波长通过滤光片后轻易地被滤掉，重复频率较低的激光脉冲会触发快门装置，无法达到光电对抗的效果。超连续谱激光器可以在同一时间输出超宽的激光光谱，成为了光电对抗的理想光源，当各波长的激光同时作用到光电探测器上时，光电探测器的滤波片无法将全部波长滤除，防护快门也被突破，使得光电探测器失去了激光防护，有效提升了光电对抗的效能。

3 超连续谱激光器发展趋势

从上述应用中可以看到，超连续谱激光器已取得了长足的发展，随着这技术应用的进步，超连续谱激光器被提出了更高的要求，未来其发展趋势如下：（1）超连续谱激光器的输出功率将不断提高。激光在传输过程中存在损耗，传输距离越远、损耗越大，提高超连续谱激光输出功率可实现远距离传输，以满足不同应用场景的需求。（2）超连续谱激光器的能量转化效率将提高。能量转化效率的提高一方面降低了激光器的功耗，另一方面意味着激光器散热量减小，有利于提高激光器长期工作的稳定性，延长其使用寿命。（3）超连续谱激光器的光谱范围将进一步扩大，光谱的平坦度也将得到改善，一台超连续谱激光器将可出现在多个应用场景中，应用率将得到很大提高。可以想象，未来，超连续谱激光器将面向更为广阔的应用市场，在日常的生活、生产、工作中为我们的医疗监测、健康诊断、安全出行等多方面保驾护航。

4 超连续谱激光器发展中面临的问题

超连续谱激光器发展所面临的最大问题是其输出功率水平的提高受到了限制。超连续谱激光的输出功率水平很大程度上取决于泵浦激光注入到非线性介质中的功率大小。当高能激光泵浦非线性介质时，高功率光纤激光器一般需要使用大模面积光纤，非线性介质为了提高其非线性系数，所用PCF等光纤的纤芯直径通常较小，泵浦源的输出光纤与非线性光纤之间存在较大的模场失配，两段光纤直接熔接必将会产生很大的熔接损耗，导致泵浦光的耦合效率低。在激光器的实际搭建过程中，需在两段光纤之间加入模场匹配器，当两端光纤的模场直径相差较大时，模场匹配器的结构将变的复杂，激光器光学系统的结构也因为模场匹配器的加入变的很复杂。此外，模场匹配器和PCF的熔点无法完全避免损耗的引入，高功率泵浦光通过时会产生较大热量，很难保证激光器的可靠性和长期工作稳定性，超连续谱激光器的输出功率水平因此受限。随着光纤熔接设备、低损耗激光耦合技术以及低损耗光纤制备技术正在迅速发展，超连续谱激光器若采用这些设备和技术，有望实现更高功率超连续谱激光输出。

目前，科研人员研究出了超连续谱激光器的另一种方案，可在光纤放大器中直接产生超连续谱激光。采用该方案有以下优势：首先，超连续谱激光器的光路结构简单，系统整体的熔接损耗小。该方案无需进行PCF熔接，光纤放大器中通常采用双包层掺杂光纤作为增益介质，模场失配和熔接损耗小。其次，光纤放大器更容易实现高功率超连续谱激光输出。PCF较小的纤芯直径成为了超连续谱激光输出功率提高的限制因素，光纤放大器中可以采用大纤芯、大模场面积的增益光纤，使高功率超连续谱激光输出成为了可能。但是，因为增益光纤的非线性系数比PCF要小很多，所以该方案下超连续谱激光的光谱覆盖范围没有得到充分拓展。

5 结语

综上所述，超连续谱激光器还有很大的应用潜力，其性能也有很大的提升空间。未来需优化激光器方案，改进激光器光学系统处理工艺和系统结构，综合考虑激光器输出功率和超连续谱光谱范围的关系，研制出输出功率更高、光谱特性更好的超连续谱激光器，使其在更多领域充分发挥作用。