2.2.4　超连续光谱产生技术

超连续光谱是一种具有极宽带宽的光源，一般利用高峰值功率的超短脉冲通过非线性器件来产生，例如利用飞秒激光脉冲通过光子晶体光纤可以获得覆盖整个可见光波段的连续光谱‎[14]。飞秒激光激发的超连续光谱可用于主动高光谱遥感（将在第7章介绍）；同时超过一个倍频程的超连续光谱对于光学频率梳的稳频也是必不可少的，因此需要简要地介绍其原理。

超连续光谱可以在气体、液体、固体、光纤等介质中产生。目前，产生超连续光谱最简单有效的技术方案是通过注入高强度的种子激光到光子晶体光纤（Photonics Crystal Fiber，PCF）中，光子晶体光纤所具有的增强非线性效应和可控色散特性，使其成为产生超连续光谱的有效手段。此类光纤具有较强的非线性系数，注入激光在其芯径内传播时会产生很强的非线性效应，如自相位调制（Self-phase Modulation，SPM）、四波混频（Four Wave Mixing，FWM）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering）、自陡峭（Self-steepening）等，这些效应导致激光光谱的调制和加宽，最终形成宽光谱的超连续相干激光输出。其中，注入光纤的激光可以是连续激光，也可以是脉冲激光，由于激光光谱的展宽强烈地依赖于峰值功率强度，超短激光脉冲对于激发以上非线性过程具有很大优势。未经过放大的纳焦量级的飞秒激光脉冲就可以在光纤中产生一个倍频程（Octave）甚至两个倍频程的超连续光谱。在1 550 nm的通信波段，无须采用PCF，仅利用高非线性光纤（High Nonlinearity Fiber，HLNF）也能实现倍频程光谱。与PCF相比，HNLF与标准单模光纤的熔接更方便。

从物理层面讲，光子晶体光纤中的孤子自频移、高阶孤子分裂、切伦科夫辐射等诸多效应对超连续光谱的形成都有贡献。在光纤的不同的色散域，超连续光谱的产生机制迥然不同。理论和实验表明：当入射的低平均功率飞秒激光脉冲位于反常色散区时，在同样强度下，宽脉冲产生的超连续光谱可以比窄脉冲更宽。这时的超连续光谱的产生机制被解释为高阶孤子裂变和四波混频。在脉宽较宽时，孤子的阶数更大，N阶孤子裂变为N个基孤子脉冲，每个孤子脉冲会发出对应的蓝移且相位匹配的非孤子波，最终脉冲稳定形成红移的N个具有不同中心波长的基孤子，同时发生的四波混频效应使得光谱加宽且更加平滑。图‎2-14、图‎2-15分别给出了数值仿真的典型的超连续光谱产生过程以及实验得到的白光超连续光谱。

图2-14　数值仿真的典型超连续光谱产生过程

图2-15　白光超连续光谱产生的实验结果

在光学频率梳、高光谱测量等应用中，更加关注超连续光谱的相干性。通常来讲，单模PCF、HNLF输出的超连续光谱具有很好的空间相干性。但是其时间相干性与入射脉冲宽度、光纤的零色散点等因素密切相关。高时间相干性意味着超短脉冲序列中每一个超短脉冲激发超连续光谱的过程是完全相同的，这对于光频梳的稳频等应用至关重要。理论和实验表明，在光纤的正常色散域内，光谱展宽由SPM效应主导，可以避免调制不稳定性（Modulation Instability）等退相干（Decoherence）的物理过程，更容易获得高相干性的超连续光谱。同时，选择更窄的脉冲宽度、更短的光纤长度，所获得的超连续光谱的相干性也越高。

这里，相干度定义为

（‎2-26）

考虑到在超连续光谱产生过程中，只关心波长间的相干性，因此只需计算t1−t2=0时的。不同脉冲宽度下的超连续光谱及其相干性如图‎2-16所示，其中给出了中心波长为835 nm、峰值功率为10 kW的不同脉宽的超短脉冲通过一段10 cm长的正常色散的PCF后的超连续光谱的时间、光谱、相干特性。虽然三种情况产生的超连续光谱的宽度很接近，但是100 fs、150 fs的脉冲的相干性退化显著，只有50 fs脉冲宽度的入射脉冲经过超连续光谱产生过程后，仍保持着良好的相干性。

图2-16　不同脉冲宽度下的超连续光谱及其相干性‎[14]