1969年，Robert Alfano和Stanley Shapiro發(fā)明了一種新的激光。這種激光是光場通過材料經(jīng)歷巨大光譜展寬后的結(jié)果，因其跨越大部分可見光譜，故得名超連續(xù)。如今，超連續(xù)光源已能跨一個甚至多個倍頻程，而可見光范圍約為一個倍頻程，因此超連續(xù)意味著白色激光成為現(xiàn)實。

兩人發(fā)現(xiàn)綠激光的高強皮秒脈沖和特殊晶體或玻璃相互作用時會被顯著展寬，由此觀察到白光的產(chǎn)生。隨后，研究人員使用液體和氣體也產(chǎn)生了超連續(xù)光，并進入紅外范圍。

早期的超連續(xù)產(chǎn)生實驗裝置

紅光脈沖通過液體池后展寬變成白光

來源：科學(xué)美國人2006年12月刊(Alfano文章)

1999年，光子晶體光纖為超連續(xù)領(lǐng)域帶來了革命性的突破，盡管早在1978年就有通過光纖產(chǎn)生超連續(xù)的報導(dǎo)。光纖不僅能把光約束在細微的纖芯中，長距離維持高光強，而且還能通過色散工程優(yōu)化非線性光孤子，產(chǎn)生超大光帶寬。從此，超連續(xù)實驗裝置開始從復(fù)雜變得簡單，商用化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。

光纖超連續(xù)激光彩虹

John Dudley & Gory Genty的文章

非線性和超快

盡管實驗裝置簡單，但是超連續(xù)產(chǎn)生的物理過程非常復(fù)雜。一般而言，激光功率越高，誘導(dǎo)的材料非線性極化越強，超連續(xù)譜的帶寬越大，所以皮秒和飛秒激光因為具有高峰值功率常被用作種子源。下面三圖比較了不同功率的飛秒激光通過Thorlabs高非線性光纖展寬的模擬結(jié)果。因為高非線性光纖的模場較小，所以熔接過程更為復(fù)雜，Thorlabs提供專業(yè)光纖熔接服務(wù)，如有此類需求歡迎聯(lián)系我們。

諧波產(chǎn)生等常見的非線性光學(xué)效應(yīng)是一個波長到另一個波長的離散轉(zhuǎn)換，但超連續(xù)則是將原本較寬的光譜連續(xù)變得更寬，這是孤子分裂、色散波和孤子自頻移共同作用的結(jié)果。

材料的線性光學(xué)性質(zhì)由折射率確定。寬帶光脈沖通過材料時具有不同的折射率，由于這種色散，脈沖中不同波長的光分量通過光纖的速度不同，其時間脈沖包絡(luò)被展寬，但是頻譜不變。

色散：時間包絡(luò)展寬，頻譜保持不變

來源：Gory Genty教授PPT，下同

另外，超短光脈沖由于高峰值功率可使材料的折射率產(chǎn)生微小變化，變化量和強度相關(guān)。材料折射率的非線性變化反過來使光脈沖的振蕩模式產(chǎn)生相位差，這個過程叫做自相位調(diào)制。光強相關(guān)的折射率用下式表示，其中n2為非線性系數(shù)。

對于前半個脈沖，強度和折射率隨時間增加，波速越來越慢，頻率減小。對于后半個脈沖，強度和折射率隨時間減小，波速越來越快，頻率增加。因此，自相位調(diào)制創(chuàng)造了新的頻率，產(chǎn)生隨時間變化的瞬時頻率(啁啾)，使較低頻率出現(xiàn)在上升沿，較高頻率出現(xiàn)在下降沿。

自相位調(diào)制：頻譜展寬，時間輪廓不變

孤子演變

超連續(xù)起于非線性自相位調(diào)制和線性色散的共同作用。根據(jù)光纖性質(zhì)和傳輸波長的不同，由于色散，脈沖的高頻和低頻分量的時間間隔可能增加或減小。增加時脈沖隨時間分散，減小時脈沖形成穩(wěn)定的光孤子波形。

對于基態(tài)孤子，脈沖形狀和振幅不隨傳播距離變化。但是還有一類高階孤子，它們在色散和自相位調(diào)制的相互作用下，脈沖形狀和光譜隨時間和距離演變。在破壞對稱的擾動下，高階孤子分裂成一系列基態(tài)孤子，繼續(xù)非線性和色散傳播并且受上述擾動影響。

對于每個新形成的孤子，高階色散使能量向短波長傳遞，非彈性光散射效應(yīng)使光譜連續(xù)向長波長頻移。完全理解這兩個過程中的數(shù)學(xué)細節(jié)非常復(fù)雜，但通過模擬可形象地展示脈沖在時域和頻域的演變過程。

左圖展示色散和非彈性散射誘導(dǎo)的孤子分裂，右圖展示超連續(xù)的光譜演變，頻移孤子和色散波在演變初期就開始產(chǎn)生。每個注入脈沖通過光纖輸出相同的超連續(xù)光，光譜跨一個倍頻程而且極其穩(wěn)定，在數(shù)百THz范圍內(nèi)保持相干。有了穩(wěn)定的跨倍頻程超連續(xù)激光，精密光學(xué)頻率梳也成為現(xiàn)實，在20年內(nèi)實現(xiàn)20位小數(shù)的精密頻率測量。

超連續(xù)產(chǎn)生=孤子分裂+色散波+孤子頻移

孤子模擬

a. 理想的基態(tài)孤子，波形不變，非線性自相位調(diào)制和線性色散達到完美平衡。

b. 高強度脈沖在時域和頻域形成周期性高階孤子：某個時間和位置出現(xiàn)一個波峰，迅速消失后再次形成。

c. 在孤子分裂時，初始光脈沖分成一系列基態(tài)孤子(S)和色散波(DW)。兩種模擬中都包含破壞初始周期演變的的高階色散。單孤子分裂成多孤子，在傳播時，色散使孤子帶寬向高頻(短波長)展寬，非彈性散射使孤子帶寬向低頻(長波長)展寬。

調(diào)制不穩(wěn)定性

無噪聲超連續(xù)光使用100 fs以內(nèi)的脈沖產(chǎn)生。對于更寬的脈沖，超連續(xù)演變初期不經(jīng)歷高階孤子動態(tài)，而是以調(diào)制不穩(wěn)定性這種噪聲驅(qū)動過程激發(fā)頻率邊帶，對輸入脈沖形成強調(diào)制。從噪聲初步增長后，被調(diào)制光場演變成類似基態(tài)孤子串并產(chǎn)生頻移。由于初始種子為噪聲驅(qū)動，對于不同的脈沖，孤子振幅和寬度在時域和頻域都會隨機變化，因此產(chǎn)生的超連續(xù)光不具有相位穩(wěn)定性。

超連續(xù)激光應(yīng)用

作為信使之光，聯(lián)系世界；作為計量之光，精確報時；作為治愈之光，恢復(fù)健康；作為傳感之光，保護環(huán)境。換成光學(xué)表達就是：高容量波分復(fù)用、精密時間和頻率測量、生物醫(yī)學(xué)(OCT和成像)、大氣和農(nóng)業(yè)科學(xué)(激光成絲)。

來源：今日物理2013年7月刊