國(guó)防科普加油站（36） 超連續(xù)譜激光：超乎尋常的新型光源

在光學(xué)領(lǐng)域，激光具有亮度高、單色性好、方向性好等特點(diǎn)，被譽(yù)為“最亮的光、最快的刀、最準(zhǔn)的尺?！彼膹V泛應(yīng)用，帶來(lái)了一系列變革性創(chuàng)新創(chuàng)造，推動(dòng)了人類(lèi)的科學(xué)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

可謂是“青出于藍(lán)勝于藍(lán)”。1970年，在激光誕生10年后，一種新的激光光源――“超連續(xù)譜激光”橫空出世。這個(gè)激光家族的新成員，與一般的單色性（窄譜）普通激光不同，它是一種具有極寬光譜的多色激光，其光譜寬度在100納米以上，可以達(dá)到5000納米甚至10000納米以上。這種超連續(xù)譜激光不僅擁有激光的所有特點(diǎn)，而且具有光譜范圍寬、空間相干性好等光源特性，因而應(yīng)用更加廣泛，發(fā)展?jié)摿@人。

源自激光，在光纖“沃土”中成長(zhǎng)

說(shuō)來(lái)十分有趣，超連續(xù)譜激光的誕生，其實(shí)是“違背”了線(xiàn)性光學(xué)的常識(shí)和規(guī)律的。因?yàn)?，超連續(xù)譜激光的特點(diǎn)是具有像普通白光一樣寬的光譜范圍，而在傳統(tǒng)的線(xiàn)性光學(xué)的理論中，白光雖然能夠分解為各種顏色的單色光，但一束單色光卻不可能直接變成白光，也就是說(shuō)，不能獲得超連續(xù)譜（寬光譜）光源。

不可思議的是，1970年，美國(guó)科學(xué)家阿拉諾和夏皮羅將一束準(zhǔn)單色的綠光皮秒脈沖激光，注入到固體非線(xiàn)性介質(zhì)（一種特殊有光學(xué)玻璃）中，意外獲得了400－700納米的白光輸出，單色的綠光竟然變成了復(fù)合的白光，光譜寬且連續(xù)。這一偶然的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，迅速震驚了光學(xué)界，從此，一種新型光源――超連續(xù)譜激光誕生了！

這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)看似偶然，其實(shí)是符合科學(xué)的必然規(guī)律。超連續(xù)譜產(chǎn)生的背后機(jī)理，是強(qiáng)激光與介質(zhì)之間的非線(xiàn)性相互作用，即當(dāng)一種或多種準(zhǔn)單色的強(qiáng)激光“種子”在介質(zhì)(如玻璃、氣體等)這片“土壤”中傳播時(shí)，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度足以與介質(zhì)原子內(nèi)部的電場(chǎng)相比擬，此時(shí)“種子”光與介質(zhì)“土壤”的相互作用，就產(chǎn)生“非線(xiàn)性效應(yīng)”。這一效應(yīng)使原本單色激光的光譜像發(fā)生“基因突變”一樣，向短波和長(zhǎng)波拓展，新產(chǎn)生的光譜成分又會(huì)作為新的泵浦光，連續(xù)不斷向兩側(cè)拓展，最終，一個(gè)窄帶的光譜拓展成一個(gè)超寬的連續(xù)譜，即超連續(xù)譜。

早期產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的“土壤”并不理想，主要集中在固體、氣體和液體等常規(guī)非線(xiàn)性介質(zhì)中，不僅需要極高峰值功率的入射激光“種子”，而且傳輸損耗大、光束質(zhì)量較差，難以達(dá)到應(yīng)用的要求。

20世紀(jì)80年代，低損耗光纖的誕生與應(yīng)用，為超連續(xù)譜激光的產(chǎn)生和傳輸提供了一片極佳的“沃土”。 光纖能將激光約束在微米量級(jí)的光纖纖芯中，增強(qiáng)了激光與介質(zhì)相互作用的非線(xiàn)性效應(yīng)。同時(shí)，還能增長(zhǎng)傳輸距離，提升輸出光束的質(zhì)量。

1996年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的科研人員研制出了一種非常適合超連續(xù)譜產(chǎn)生的光子晶體光纖，它具有更高非線(xiàn)性系數(shù)、更靈活可調(diào)色散的特性，在超連續(xù)譜的研究中具有里程碑式的意義。從此，超連續(xù)譜激光的研究和應(yīng)用獲得了飛速發(fā)展。

如今，不僅可以在軟玻璃光纖、拉錐光纖等越來(lái)越多的新型光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜，科學(xué)家還將超連續(xù)譜產(chǎn)生的“土壤”縮小至氮化硅等硅基波導(dǎo)上，使其能夠與現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS器件）實(shí)現(xiàn)片上兼容，有望拓寬硅基光子學(xué)的應(yīng)用。

性能出眾，優(yōu)勢(shì)集于一身

超連續(xù)譜激光一經(jīng)誕生，就以其獨(dú)一無(wú)二的光源特性，驚艷了整個(gè)光學(xué)界。它不僅具有激光亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好等特點(diǎn)，而且可以擁有和太陽(yáng)光類(lèi)似的寬光譜性能。

光色絢爛多彩。超連續(xù)譜激光經(jīng)常被形象地稱(chēng)為白光激光，但是它所涵蓋的波段遠(yuǎn)不止處于可見(jiàn)光波段的白光，已從最早的可見(jiàn)光波段，拓展至紫外、近紅外、中遠(yuǎn)紅外波段，不同波段的超連續(xù)譜激光在應(yīng)用方面也各有所長(zhǎng)，可以說(shuō)，超連續(xù)譜激光是一種比白光更絢爛多彩的多色光。

光譜范圍寬且亮度高。與普通激光的窄譜特性相比，超連續(xù)譜激光光譜極寬且是連續(xù)展寬，寬度通常大于100納米，可以達(dá)到10000納米以上，這一寬譜優(yōu)勢(shì)可以覆蓋眾多波段。有計(jì)算表明，以常見(jiàn)的峰值功率在吉瓦量級(jí)、時(shí)域重頻在千赫茲的飛秒超連續(xù)譜光源為例，其照射在單位面積上的激光功率是太陽(yáng)輻照功率密度的700余倍。超連續(xù)譜激光的高亮度由此可見(jiàn)一斑。

時(shí)域靈活可控。在超連續(xù)譜激光的泵浦選擇上有連續(xù)波激光、納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等，這樣就可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同重復(fù)頻率、不同脈寬的泵浦源。比如在光纖通信中需要高重復(fù)頻率的超連續(xù)譜光源，在光學(xué)相干層析技術(shù)中一般使用脈寬飛秒量級(jí)的超連續(xù)譜光源。與此同時(shí)，綜合調(diào)節(jié)時(shí)域參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定形狀、特定譜寬超連續(xù)譜的量身定制。

應(yīng)用潛力驚人，助推軍事變革

激光作為20世紀(jì)的重大發(fā)明，一經(jīng)誕生便照亮了整個(gè)人類(lèi)。比普通激光性能更加優(yōu)越的超連續(xù)譜激光，其應(yīng)用前景也更加廣闊。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于超連續(xù)譜光源的光學(xué)相干層析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視網(wǎng)膜和冠狀動(dòng)脈等活體組織的三維成像和臨床診斷；在食品安全領(lǐng)域，利用超連續(xù)譜光源照射被測(cè)樣品可以在短時(shí)間內(nèi)采集到樣本的吸收光譜和透射光譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的快速檢驗(yàn)；在通信領(lǐng)域，超連續(xù)譜光源可以充當(dāng)“運(yùn)輸超人”的角色，應(yīng)用在波分復(fù)用通訊系統(tǒng)，成為當(dāng)今信息時(shí)代的及時(shí)雨；在成像領(lǐng)域，超連續(xù)譜光源正在照亮大到器官、小到分子的物體，幫助人類(lèi)更加清晰地探知世界。

在軍事領(lǐng)域，超連續(xù)譜光源因其與眾不同的性質(zhì)，被美、俄、法等國(guó)家開(kāi)發(fā)應(yīng)用于光電對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)感知、軍事通信等方面，可望帶來(lái)變革性深遠(yuǎn)影響。

光電對(duì)抗勝人一籌。目前采用主動(dòng)紅外對(duì)抗的方法，利用高亮度的紅外激光對(duì)敵方光電設(shè)備進(jìn)行壓制、破壞，是保證航空飛行器安全的重要手段。相比于輸出波長(zhǎng)單一、調(diào)諧困難的光參量振蕩器和量子級(jí)聯(lián)激光器而言，超連續(xù)譜激光光源具有空間相干性好、光譜范圍寬的先天優(yōu)勢(shì)，無(wú)法采用窄帶濾波和光學(xué)陷波等方法進(jìn)行防護(hù)。尤其是位于中紅外波段（2500-5000納米）的超連續(xù)譜光源，可以覆蓋常見(jiàn)紅外熱尋導(dǎo)引頭的典型工作波段，這樣就可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方精確制導(dǎo)武器的干擾、飽和及致盲。目前有報(bào)道稱(chēng)美軍已將包含中紅外超連續(xù)譜光源的定向紅外對(duì)抗（DIRCM）系統(tǒng)裝配在大型飛機(jī)和直升機(jī)底部，并配備旋轉(zhuǎn)臂以?huà)呙栾w機(jī)周?chē)梢赡繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的干擾，最終使其偏離固定軌跡、脫離目標(biāo)。

戰(zhàn)場(chǎng)感知將更加精準(zhǔn)。超連續(xù)譜的寬帶特性可以覆蓋常見(jiàn)氣體（如二氧化碳、甲烷、氨氣等）的吸收峰，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的同步、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。同時(shí)超連續(xù)譜光源空間相干的特性，使其與氣體混合物有著很長(zhǎng)的相互作用長(zhǎng)度，能夠顯著提高探測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微量氣體分子的探測(cè)。德國(guó)伊爾默瑙理工大學(xué)還利用超連續(xù)譜激光器與光學(xué)短通濾光片耦合，以較高的空間分辨率，同時(shí)測(cè)量出大氣湍流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，有望助力于天氣的預(yù)測(cè)。此外，以超連續(xù)譜激光作為照明光源的主動(dòng)高光譜成像技術(shù)已被美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用于各種探測(cè)任務(wù)，相比于傳統(tǒng)成像照明光，寬譜超連續(xù)譜激光可以在超遠(yuǎn)距離下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)主動(dòng)照明，更有助于鑒別偽裝目標(biāo)，提高目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率，增加敵方防御難度?？傊磥?lái)超連續(xù)譜光源無(wú)論在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察還是實(shí)時(shí)氣象保障，都將為部隊(duì)作戰(zhàn)提供全新的解決思路和技術(shù)手段。

海量數(shù)據(jù)更快傳輸。通過(guò)光譜濾波技術(shù)切割超連續(xù)譜光源，理論上可以得到任意個(gè)波分復(fù)用光源，這種高重復(fù)頻率、多波長(zhǎng)的相干脈沖光源是實(shí)現(xiàn)高速、大容量光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。日本已經(jīng)能夠利用超連續(xù)譜光源產(chǎn)生1064個(gè)信道的多波長(zhǎng)光源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)每秒2.7 太比特（1太比特相當(dāng)于10244比特）的高速光纖通信。一個(gè)超連續(xù)譜光源能夠“以一頂千”，取代上千個(gè)普通激光光源，這將為需要傳輸海量數(shù)據(jù)的信息化聯(lián)合作戰(zhàn)提供高速、緊湊的技術(shù)支撐。而在自由空間通信領(lǐng)域，有研究團(tuán)隊(duì)證明采用超連續(xù)譜光源作為部分相干高速載波能夠有效抑制大氣湍流造成的光強(qiáng)閃爍，并實(shí)現(xiàn)了每秒16吉比特（1吉比特相當(dāng)于10243比特）的通信速率。未來(lái)，如果將基于超連續(xù)譜光源的空間通信技術(shù)作為一種戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)急通信方案，那么，在應(yīng)用于突發(fā)事件、局部戰(zhàn)爭(zhēng)等情況時(shí)，將會(huì)更加得心應(yīng)手。

隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝水平的提高，未來(lái)超連續(xù)譜激光將朝著平均功率更高、光譜寬度更寬、光束質(zhì)量更好的方向發(fā)展。這種超乎尋常的新型光源勢(shì)必發(fā)揮出巨大的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)作用，取得更多超乎想象的成就。

（作者：王握文、朱晰然 來(lái)源：國(guó)防科技大學(xué)科普中國(guó)共建基地）