▎導(dǎo) 讀      

中紅外超連續(xù)譜（MIR-SC）超連續(xù)激光光源相比普通激光來說，具有空間相干性好、光譜范圍寬、亮度高等特點，其中中紅外2~5 μm波段在光譜學(xué)中涵蓋了大多數(shù)分子指紋圖譜，因此中紅外超連續(xù)譜光源在紅外對抗、醫(yī)學(xué)影像及氣體監(jiān)測等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。早期用于產(chǎn)生超連續(xù)譜的石英光纖和光子晶體光纖，由于本征吸收損耗的限制，其長波邊往往難以突破2.5 μm，因此低聲子吸收的軟玻璃光纖成為產(chǎn)生超連續(xù)光源的理想介質(zhì)。常見的軟玻璃光纖有以氟化鋯（ZrF?-BaF?-LaF?-AlF?-NaF）、氟化銦（InF?）為代表的氟化物光纖、以硫化砷（As?S?）、硒化砷（As?Se?）為代表的硫系光纖，以及含TeO?的碲酸鹽玻璃光纖。

近日，中國計量大學(xué)光電材料與器件研究院劉艷婷、黃飛飛、沈丹陽等在《發(fā)光學(xué)報》發(fā)表了題為“基于軟玻璃光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜研究進(jìn)展”的綜述文章。

該綜述總結(jié)了近年來利用軟玻璃光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜光源的研究進(jìn)展，分類闡述了氟化物、硫系和碲酸鹽光纖這三類軟玻璃光纖在超連續(xù)譜產(chǎn)生和應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀。最后分析了三類軟玻璃光纖的優(yōu)缺點，并提出氟碲酸鹽光纖有望成為一種產(chǎn)生寬帶高功率中紅外超連續(xù)譜的非線性光纖理想介質(zhì)。

▎引言

激光因其相干性強、單色性好、方向性強和亮度高等特點，在基礎(chǔ)物理、化學(xué)分析和生物醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時工業(yè)企業(yè)也開始尋求利用激光來解決所面臨難題，而不同的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需要激光參數(shù)各異的激光器，這對新型激光光源的開發(fā)提出了迫切需求。超連續(xù)激光光源相比普通激光來說，具有空間相干性好，光譜范圍寬，高亮度等特點，其中中紅外2~5 μm波段超連續(xù)譜光源在光譜學(xué)中涵蓋了大多數(shù)分子指紋圖譜，因此在紅外對抗、醫(yī)學(xué)影像、氣體監(jiān)測等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。自1970年，美國Alfano等利用皮秒激光器泵浦非線性玻璃，產(chǎn)生了光譜覆蓋范圍在400~700 nm的超連續(xù)譜光源之后，越來越多的科研人員開始把注意力轉(zhuǎn)移到超連續(xù)譜光源的研究中。

圖1：超連續(xù)譜應(yīng)用于氣體吸收光譜探測的原理圖

▎軟玻璃光纖簡介

常用于產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的軟玻璃光纖有氟化物、硫系和碲酸鹽光纖。氟化物光纖具有較寬的紅外透過窗口（0.3~7 μm）、較低的聲子能量和較高的損傷閾值，零色散波長ZDW在1.6~1.8 μm之間，利用1.55 μm和2 μm的脈沖激光即可分別實現(xiàn)正常和反常色散區(qū)的有效泵浦，因此成為研制高功率中紅外超連續(xù)激光光源的主流非線性光纖。硫系光纖的紅外透過窗口可覆蓋中紅外波段乃至遠(yuǎn)紅外波段，且其非線性系數(shù)極高，約為石英光纖的1000倍，成為產(chǎn)生超寬帶超連續(xù)譜激光光源的理想非線性光纖。碲酸鹽光纖具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其聲子能量較低，非線性系數(shù)約為石英光纖的20倍，因其零色散波長約為2.24 μm，因此常設(shè)計成微結(jié)構(gòu)光纖和錐形結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)零色散波長的有效泵浦。考慮到氟化物光纖熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差的問題，有學(xué)者提出了一種新型高功率中紅外激光材料-氟碲酸鹽光纖。氟碲酸鹽光纖具有較高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，良好的抗潮解能力，較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此成為研制高功率中紅外超連續(xù)譜激光光源的又一理想非線性光纖。     

圖2：常見光纖的紅外損耗譜

▎中紅外超連續(xù)譜研究進(jìn)展

氟化物光纖是軟玻璃光纖中發(fā)展最成熟的一類光纖，被廣泛用于超連續(xù)譜的研究中。目前，在ZBLAN光纖中可實現(xiàn)的超連續(xù)譜最大輸出功率可達(dá)到30 W，也是迄今為止在軟玻璃光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的研究中可得到的最高輸出功率。隨著光纖耦合技術(shù)的改進(jìn)，全光纖結(jié)構(gòu)的ZBLAN光纖超連續(xù)譜產(chǎn)生裝置將進(jìn)一步提高超連續(xù)譜輸出功率。同屬氟化物光纖的InF?光纖在中紅外超連續(xù)譜中的研究起步較晚，但隨著光纖制備工藝的精進(jìn)，目前在InF?光纖中產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜的最大輸出功率也達(dá)到了11.8 W，光譜長波邊展寬至5.4 μm，在中紅外超連續(xù)譜研究中的發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。

硫系光纖具有軟玻璃光纖中最寬的紅外透過窗口和最高的非線性系數(shù)，低泵浦功率下也能在較短的光纖中產(chǎn)生較寬的超連續(xù)譜，目前在硫系光纖中獲得的最大帶寬的超連續(xù)光譜范圍在2~16 μm，不過由于硫系光纖的損傷閾值較低，超連續(xù)譜最大輸出功率僅為1.13 W。在未來的研究方向上，可考慮硫系微結(jié)構(gòu)光纖的設(shè)計與制備。

碲酸鹽光纖的非線性折射率介于氟化物光纖和硫系光纖之間，在較短的光纖中也能得到寬帶超連續(xù)譜，目前產(chǎn)生的超連續(xù)譜長波邊可達(dá)5.3 μm。不過因其材料中的羥基難以去除，限制了其在中紅外超連續(xù)譜中的研究進(jìn)程。而兼具了氟化物光纖和碲酸鹽光纖特性的氟碲酸鹽光纖，在短短幾年的中紅外超連續(xù)譜的研究中，最大輸出功率已經(jīng)達(dá)到25.8W，相應(yīng)的光譜范圍為0.93~3.99μm，可見其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

▎展望

本文綜述了近年來在軟玻璃光纖中產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜光源的研究進(jìn)展。氟化物光纖在高功率中紅外超連續(xù)譜光源的研究中占據(jù)主流位置，但由于光纖材料的多聲子吸收，其超連續(xù)光譜被限制在5 μm以下。因此在高相干寬帶寬中紅外超連續(xù)譜光源研究中常用硫系光纖，而硫系光纖的ZDW通常在10.5 μm左右，通過創(chuàng)新工藝改變光纖結(jié)構(gòu)，可以使得ZDW有下移的可能，否則就需要長波長的激光器泵浦，而長波長的商業(yè)泵浦源也是如今市面上所欠缺的，因此其發(fā)展受到限制。碲酸鹽光纖化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，且非線性折射率較高，但其材料純度不足，導(dǎo)致?lián)p耗較大，在研究中進(jìn)展稍顯緩慢。綜合上述氟化物光纖和碲酸鹽光纖在產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜研究中的優(yōu)缺點，經(jīng)過組分設(shè)計和調(diào)控，在碲酸鹽玻璃中混合氟化物組分和氧化物組分，制備出氟碲酸鹽玻璃，在保證氟化物玻璃優(yōu)異的發(fā)光帶寬及低損耗的同時，通過引入碲酸鹽玻璃來提高其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其中的氧化物組分可以明顯提高玻璃轉(zhuǎn)變溫度，因此氟碲酸鹽光纖有望成為產(chǎn)生高功率寬帶寬中紅外超連續(xù)譜光源的理想介質(zhì)，將進(jìn)一步加快中紅外超連續(xù)譜的研究進(jìn)展。

▎論文信息

劉艷婷,黃飛飛,沈丹陽等.基于軟玻璃光纖產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜研究進(jìn)展[J].發(fā)光學(xué)報,2024,45(01):111-124.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230274/

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