更小、更简单的超连续谱激光器照亮光明的未来

  超连续谱激光器技术复杂、成本高且操作精细，使用起来是一项挑战。但技术及其应用都在不断发展，推动了未来对这些来源的需求。

玛丽·弗里博迪，特约编辑
  作为宽带光源，超连续谱激光器是一项真正具有革命性的技术。虽然卤素光源——甚至是普通的钨丝灯泡——可以发出大带宽的光，但超连续谱产生 (SCG) 源自激光源并且具有高度相干性。与传统灯泡不同，超连续谱激光器的振幅和相位噪声波动与传统激光标准相匹配。

超连续谱生成的星体梳定期校准高分辨率天文仪器，例如欧洲航天局拉西拉 3.6 米望远镜的系外行星猎人 HARPS（高精度径向速度行星搜索器）。由 Menlo Systems 提供。

  不仅传统的宽带光源最终会在光谱学等应用中被超连续谱激光器取代，而且随着新颖的架构和手持式版本的出现，这些激光器的新应用比比皆是。

        SCG 是一项极其复杂的工作，它利用高度复杂的光学架构来实现仅在高峰值功率范围内有效的非线性过程，并将所有内容打包到一个高度可靠的工具中。

  选择能够提供一组正确性能参数的泵浦激光器有助于简化超连续谱激光器设计的多个特性，包括振荡器、工作模式、脉冲宽度、中心波长和峰值功率，Vincent Tombelaine，首席技术官说超连续谱激光器制造商 LEUKOS。

  一般来说，SCG 寻求有效利用非线性光学过程将脉冲激光转换为更宽的波长范围。

  产生低噪声超连续谱源的一个关键方法是利用飞秒脉冲激光器作为种子或泵浦。对高峰值功率的依赖通常需要携带数百皮焦耳到数十纳焦耳的高度限制的飞秒脉冲，以将衍射效应保持在最低限度。在大多数商业仪器中，这是通过使用非线性晶体或非线性光纤来实现的。后一种选择通常采用具有低反常色散和高限制的光子晶体光纤。

  新商业参与者进入的主要障碍在于这个过程的复杂性。设计和制造大量光子晶体光纤需要大量的资本投资和导航当前的知识产权环境，同时保持产品批次的质量和可重复性。

        NKT Photonics 超连续谱激光器产品线专家 Deepak Nair 表示：“对于任何涉足这一领域的制造商来说，这都是一个持续的挑战，并且没有多少制造商以可持续和可扩展的方式做到这一点并取得了有据可查的结果。” “这不是一条平凡的道路，即使对于激光和光学领域的大公司也是如此。”

        Thorlabs 就是这样的超连续谱中坚力量之一，它利用最近在将氟化物玻璃拉入光纤方面取得的进展，实现了中红外的飞秒超连续谱生成。

  拉制光纤时严格控制其几何形状，使它们能够产生有效光谱展宽所需的色散分布。

        “开发飞秒超连续谱架构具有挑战性，因为它需要稳定的锁模激光系统以及精心设计的非线性光纤，该光纤具有有利的飞秒光谱展宽色散特性，”Thorlabs 的光纤激光器项目经理 Reza Salem 说。

光谱学：新兴市场

        SCG 在中红外区域尤其具有挑战性，飞秒激光器和非线性光纤的选择有限。但鉴于中红外线对光谱学的价值，与传统光源相比，超连续谱激光器可以提供特别有价值的工具。

        “超连续谱光提供宽带辐射，非常类似于灯泡和球棒等非相干源的辐射，但其关键优势在于提供具有空间相干性的类激光光束，”Salem 说。“这种特性使这些光源在光束的整体亮度及其模式质量很重要的应用中非常有用。”

  超连续光源的高成本意味着激光器仅用于它们提供显着性能优势的应用。然而，Salem 表示，Thorlab 的中红外光源覆盖范围为 1.3 至 4.5 μm，正被近场显微镜和开路分析仪应用所采用。

  同样，使用宽带光源实现高分辨率成像的高光谱相机和红外显微镜等应用也可以从这些激光器中受益。还有兴趣将超连续谱的产生推到中红外以外，进入所谓的指纹区域，分子在该区域表现出独特的光谱特征。

       “用高质量光束覆盖该区域的超连续源将允许对化合物进行快速、远程检测，”Salem 说。

光学频率梳

  除了在光谱学中的直接应用外，SCG 还是其他光子技术的驱动力，例如光学频率梳。频率梳依赖于超稳定的飞秒激光脉冲序列，可以被认为是提供等距和超窄谱线光谱的光源。

        Menlo Systems 是第一家光学频率梳的商业供应商，它采用基于光纤的 SCG 在不断增加的波长范围内生成频率梳。该公司将其飞秒光纤激光器技术与 SCG 相结合，以保留光纤激光器输出的梳状结构，同时将其转移到可见光或中红外的超宽带波长范围。这可以在不牺牲梳状性能的情况下实现，这种现象称为光谱纯度转移。

“这需要以超低相位噪声运行的稳健可靠的飞秒激光光源，并导致基于 SCG 的频率梳服务于广泛的应用，从高精度计量和空间兼容技术到高分辨率光谱学、光学时钟和量子计算，”Menlo Systems 的业务开发人员 Jaroslaw Sperling 说。

寻找类地行星

基于 SCG 的频率梳在实验室外的一个特殊应用是天文台光谱仪的校准。这些光谱仪需要持续校准，因为它们的长期精度对于通过径向速度测量检测类地太阳系外行星至关重要。

超连续谱产生的一个关键挑战是实现光源超连续谱的良好光谱稳定性和光子晶体光纤的长期稳定性。由 Menlo Systems 提供。

“通过使用基于 SCG 的频率梳校准光谱仪，可以通过恒星光谱的多普勒频移将遥远恒星的速度确定为低至 2.5 厘米/秒，”斯珀林说。“除了这些所谓的 astrocombs 之外，基于光纤的 SCG 的最新进展使我们能够生成基于 SCG 的频率梳，这些频率梳在前所未有的宽波长范围内光谱平坦且足够强大。”

实际上，这种频率梳允许将多达七个连续波激光器锁频到单个超连续谱源，从而降低复杂性和成本。这样的系统非常适合比较在不同波长下运行的光学时钟，或者在量子计算中同时操纵不同原子种类的电子跃迁。

手持式超连续谱激光器

Superlight Photonics 是荷兰恩斯赫德特温特大学的衍生产品，最近展示了所谓的色散图案化波导，它能够大幅降低 SCG 所需的泵浦激光功率。与传统技术相比，这些波导在正常和异常色散模式之间反复交替，以将泵浦功率效率提高高达 1000 倍。

当与超小型泵浦激光器相结合时，该概念可为便携式手持传感设备铺平道路。

Superlight Photonics 的创始人 Haider Zia 说，以前，SCG 可以分为两个广泛的领域，以波导材料的色散来区分。在色散系数为负的正常色散波导中，自然趋势是“更蓝”的频率被延迟，“更红”的频率比泵浦激光脉冲的中心频率更快，他说。

这种效应与 SCG 中频率的产生相结合，可以加速脉冲在时间上的分散展宽。因此，在正常色散 SCG 中，脉冲会迅速失去其峰值功率，并且任何进一步的带宽生成都会停止。尽管带宽有限，但产生的光谱是平滑的，没有太多调制。

“在反常色散波导中，越蓝的频率越快，而越红的频率越慢——与正常色散完全相反，色散系数为正，”Zia 说。“在这种情况下，分散作用是将生成的频率聚集在一起，使脉冲在时间上压缩，提高其峰值功率并加速带宽生成。”

这只会持续到某一点。接下来发生的是，脉冲将自身整形为一种称为孤子的稳定配置，其中非线性生成和色散反向工作，直到无法生成新的光谱为止。反常色散 SCG 通常比正常色散 SCG 产生更大的带宽，但其频谱调制程度更高。

在反常和正常色散 SCG 中，光谱展宽在波导中的特定传播长度后停止。通过在异常波导色散和正常波导色散之间交替，可以克服任一类型的停滞机制。这增加了可以发生光谱生成的传播长度，从而大大降低了生成它所需的功率。

更具体地说，Superlight Photonics 的方法表明，光束直径为 1/e 的宽带宽 SCG 所需的脉冲能量已显着下降至 1 至 3 pJ 左右，这可从最先进的集成超快二极管获得以 1550 nm 为中心的激光1. 光谱功率在生成的带宽上也更加平衡，这对于高质量 OCT 设备或激光光谱仪或脉冲压缩是不可或缺的。

Superlight Photonics 的方法可能会用现在可以放在手掌中的光源取代曾经跨越数米的泵浦激光器。“这意味着真正集成的大带宽激光器即将出现，”齐亚说。“便携式激光源市场将从这种颠覆性技术中直接受益。”

Superlight Photonics 打算提供能够使用 Menlo Systems 超紧凑系列低功率飞秒光纤激光器的 SCG 芯片。Zia 说：“例如，您可以在汽车前照灯中集成芯片，而不是在自动驾驶汽车上看到笨重的激光雷达，以获得更美观的外观，”Zia 说。

根据 Tombelaine 的说法，LEUKOS 有自己的缩小超连续源的计划。他说，超小型激光器的体积现在已达到约 250 cm 3 。

“超连续谱泵浦激光器设计和非线性介质耦合方法方面的专业知识对于超连续谱激光器的小型化至关重要，”Zia 说。“我们注意到的两个最重要的近期趋势是手持式和嵌入式设备的超连续谱小型化，以及超连续谱光谱覆盖范围扩展到 10 μm 波长范围。”

推动未来增长

Tombelaine 强调了研究和创新对于保持竞争力的重要性，以及以客户为导向开发超连续谱激光器和配件的重要性。

他说，制造超连续谱激光器的成本仍然高于制造宽带灯或其他非相干光源的成本。“此外，超连续谱激光器通常会发出 4 级激光辐射，因此需要特别注意和安全预防措施。”

NKT Photonics 的 Nair 认为保持创新对于保持业务至关重要。他说，为了跟上最受益于超连续谱技术的市场趋势，公司必须提供具有更高输出功率、更大光谱带宽和更长使用寿命的系统。

“我们在激光器的可靠性研究上投入了大量资金。在任何时候，我们都有近 100 个超连续谱激光器在我们的可靠性计划中全天候运行以收集数据，这有助于我们不断改进激光器的性能，”Nair 说。“在大多数情况下，在工业应用中采用超连续谱光源是范式转变的一部分。我们必须关注并改进光传输接口和光调节架构，例如光谱过滤、波长调谐、光纤传输等。”

未来的超连续谱产生无疑会给噪声和亮度等技术指标带来进一步的提升。通过降低这些激光器的成本，更多应用可以利用它们的宽带和类光束发射。

由于对卤素灯等传统宽带光源的立法压力，这些技术进步可能会获得进一步的动力，这导致超连续谱激光器供应商得出结论，该技术具有异常光明的未来。

参考文献

H. Zia 等人。（2023 年 1 月）。从信号交替色散波导产生超高效的片上超连续谱。Adv Photonics，www.doi.org/10.1002 /adpr.202200296 。