超连续谱源是全光纤脉冲激光驱动系统，在超宽带光谱范围内提供高功率谱密度。通过线性和非线性过程的复杂相互作用，产生宽带、明亮和光谱平坦超连续体的定制过程zui近已进一步向更长的波长推进，并已发展到足以进入中红外(中红外)光谱学领域。在这项工作中，我们回顾了这项技术的现状和前景，该技术提供了类似激光的发射特性和与热发射器相当的瞬时宽带光谱覆盖。
中红外超连续介质技术
摘要：超连续谱源是全光纤脉冲激光驱动系统，在超宽带光谱范围内提供高功率谱密度。通过线性和非线性过程的复杂相互作用，产生宽带、明亮和光谱平坦超连续体的定制过程zui近已进一步向更长的波长推进，并已发展到足以进入中红外(中红外)光谱学领域。在这项工作中，我们回顾了这项技术的现状和前景，该技术提供了类似激光的发射特性和与热发射器相当的瞬时宽带光谱覆盖。
现代中红外超连续光谱激光源是光纤激光器的一个突出代表。中红外超连续提供瞬时超宽带光谱覆盖(超过一个八度)。超连续谱的产生过程源于强脉冲在光纤中传播过程中线性和非线性过程的复杂啮合和共同作用。根据泵浦方案、材料参数、光纤几何形状、色散状态和输入脉冲持续时间的不同，导致光谱展宽的现象和机制的集合可以显著变化，某些过程可以主导或被其他过程抑制。超连续谱产生过程的主要非线性因素是:受激拉曼散射、自相位调制、四波混合、调制不稳定性、交叉相位调制、孤子动力学(孤子裂变和孤子自频移)和色散波的产生。
尽管超连续谱生成背后有复杂的基础物理学，但中红外超连续谱生成的实际实现相对简单。图1说明了这一点，并描述了商用氟纤维(InF3)超连续介质发生器的概念原理和系统架构。开发了如图1所示的系统。
图1所示。基于InF3光纤系统的中红外超连续介质源的基本方案和工作原理示例:所示发射光谱对应于商用超连续介质发生器(Thorlabs, SC4500，光纤长度为50厘米，重复频率为50 MHz，平均输出功率为300 mW);模拟了泵浦脉冲在200 cm长度InF3光纤上的光谱演化，说明了泵浦脉冲的产生机制。
超连续介质源的泵浦系统是基于高峰值功率飞秒锁模光纤激光器。激光辐射的光谱范围为光通信波长1550nm，该波长的光学技术较为发达。发射的激光脉冲(重复频率为50 MHz)由掺铒光纤放大器放大并发射到非线性光纤中，该光纤将脉冲能量传输到1.9µm光谱范围，对应于所设计的氟化光纤的零色散波长。第二个放大阶段意味着使用以下正向掺铥包层泵浦光纤放大器(793 nm泵浦二极管)在大约2 μ m的光谱范围内提高光功率(达到0.5 W平均功率水平)。为了补偿掺tm光纤和传输光纤的异常群速度色散，在泵浦系统中预先使用色散补偿光纤来处理超连续谱产生的光脉冲的时频自适应。因此，由孤子串组成的移位和频谱预加宽脉冲被耦合到50厘米长的InF3光纤中，在那里发生了大量的加宽。产生的光谱范围为1.25 μ m至4.6 μ m的超连续谱辐射zui终由输出离轴抛物面镜准直。
图1所示的系统举例说明了超连续谱产生的壮观现象——一个相对狭窄、高功率的近红外激光线如何被转换成超宽带和明亮的近红外和中红外输出。尽管方案、光纤类型和设计(例如，由于色散分布的变化，芯径的微小变化可能导致发射光谱的显著变化)、泵浦参数(持续时间、峰值功率、相对于零色散点的波长、偏振)、放大级的数量和实现可能会有所不同，但涉及泵浦激光器和非线性光纤的现代超连续谱生成的基本原理是保留的。以同样的方式，通常高输出功率(平均功率水平通常从100兆瓦到瓦)，高光束质量(通常M2≤1.1)和脉冲性质也被保持。
从中红外光谱仪器和应用的角度来看，中红外超连续光谱源提供的峰值功率(典型的脉冲持续时间在ps和次ns范围内)可以显著增强脉冲测量模式下的检测，保持低平均功率，从而降低热负荷。应用快速检测系统和合适的脉冲积分器，如锁相放大器或车厢门控平均器，可以利用峰值增益(峰值与平均功率的比值，但受探测器响应时间的限制)。这里可以注意到，近红外纯连续波(CW)超连续谱的实现已被报道，但由于生成效率低(非线性过程的效率受到微薄的CW功率的抑制)、扩宽不良、对极高平均功率泵浦的要求以及km长的光纤导致后续挑战，因此尚未得到证实和商业化。
除了激光特性外，超连续辐射还有独特的相干特性。超连续谱是在光纤的引导模式下产生的(通常是单模)，因此超连续谱发生器保持了种子泵激光器的高空间相干性，从而产生了高亮度和类激光聚焦特性。然而，由于光谱的ji端展宽，时间相干性正在与空间相干性解耦，并在生成过程中发生变化:超连续光谱光表现出典型的低时间相干性(接近热光源的极短相干长度)。图2旨在说明这些点，展示了商用系统(基于Leukos InF3光纤的源)的典型发射光谱和相应的FTIR干涉图(即场自相关)。图2(b)采用希尔伯特变换法确定相干长度。用得到的信封提取全宽度的一半zui大值;由于超连续介质源的结构略不对称，因此还对干涉图包络进行了高斯拟合。测量使用商用FTIR光谱仪(Bruker Optics, Vertex 70)进行，默认采集参数(平均12个光谱，4 cm-1分辨率，1 kHz镜像频率)。一个箱车集成(苏黎世仪器，UHFLI)被用来解调信号。
因此，这些特定的相干性和光谱特性产生了一个独特的发射器，这在各种中红外光谱应用中是非常有趣的。超连续镜消除时间干扰伪影并保持衍射有限的性能，例如在高光谱成像和微光谱学中。由于这些原因，这些光源在中红外光谱之外也引起了极大的兴趣，例如在红外光学相干层析成像中。
| (a) 基于Leukos InF3光纤的中红外发射光谱 (使用2.4 μ m边通滤波器)(重复频率250khz，平均输出功率650mw) | (b) FTIR干涉图:(左)对应于热发射器(a)和(右)所示的超连续光谱发射;自相关函数分析(使用希尔伯特变换)用于获取实际相干长度 |
图2所示。商业超连续体发射器的发射特性:(a)中红外发射光谱(大气水蒸气和CO2导致特征吸收特征)和(b)时间相干特性(常规热发射器的干涉图供参考)。
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