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位于人眼視覺之外的寬譜紅外波段，以其特有的軍事意義和民用價(jià)值，一直是各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。例如，中紅外波段（2-16 μm，如圖1所示）覆蓋了絕大部分有機(jī)物和無機(jī)物的分子特征吸收“指紋”區(qū)，且覆蓋了3-5 μm和8-14 μm這兩個(gè)最重要的大氣窗口，在分子光譜學(xué)、大氣監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療及軍事遙感等諸多領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。但該領(lǐng)域的開發(fā)發(fā)展需要依賴于一種寬光譜、高質(zhì)量的中紅外激光光源。普通激光具有高相干、高亮度的特點(diǎn)，但為窄頻譜輸出；而利用激光在非線性光纖中產(chǎn)生的超連續(xù)譜（SC）光源以其高相干性、高亮度和極寬譜輸出等特點(diǎn)，日益成為紅外波段最具吸引力的光源。 圖1 2-16 μm覆蓋了許多重要分子的“指紋”區(qū) 超連續(xù)譜（SC）光源主體的組成要素 SC的產(chǎn)生是指窄脈沖入射到非線性光纖后，受光纖中的各種三階非線性和色散的共同作用下使得出射脈沖頻譜得到極大展寬的現(xiàn)象。中紅外SC光源主體由抽運(yùn)源激光和中紅外非線性光纖組成。 在抽運(yùn)源方面，通常使用超短脈沖的近紅外光纖激光器或中紅外光參量振蕩器（OPO）或放大器（OPA）。其中1.5/2 μm的近紅外光纖激光器已經(jīng)相對(duì)非常成熟，市場(chǎng)上已有各種參數(shù)的高功率激光器可供選擇；而空間光耦合的OPO/OPA體積龐大且平均功率低，產(chǎn)生的SC實(shí)用性有限。 在非線性光纖方面，需要滿足中紅外高透過、高非線性和高激光損傷閾值等特點(diǎn)。常見的紅外非線性光纖包括石英、重金屬碲酸鹽、氟化物和硫系玻璃光纖，光纖的基質(zhì)材料損耗曲線如圖2所示。石英光纖具有損耗低和原材料優(yōu)勢(shì)，但非線性極低且受限于材料的本征多聲子吸收無法產(chǎn)生2.5 μm以上SC，碲酸鹽和氟化物則基本局限于5 μm以內(nèi)的中紅外SC。 圖2 常見中紅外光纖的材料損耗曲線 硫系玻璃是VIA主族元素（S、Se、Te）和一些其它元素組合而成的非氧化物玻璃，其紅外透光波長(zhǎng)可達(dá)20 μm以上，且具有極高的非線性折射率（比石英高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。硫系光纖是唯一一種可覆蓋近、中、遠(yuǎn)紅外透過的非線性材料，可滿足全紅外波譜（10 μm以上）SC輸出。 硫系光纖本身具有極高的材料非線性性能，一般采用中紅外OPA激光器研究了硫系光纖的中紅外SC譜輸出性能，表1羅列了部分硫系光纖的中紅外SC譜輸出性能。其中相對(duì)較好的方案是采用ZBLAN/As2S3/As2Se3光纖級(jí)聯(lián)抽運(yùn)：利用光纖激光器輸出的高功率脈沖在ZBLAN光纖中產(chǎn)生展寬至4.5 μm的SC譜，該寬譜脈沖在As2S3光纖進(jìn)行接力展寬至6.5 μm，最后在As2Se3中進(jìn)行接力繼續(xù)展寬至11.4 μm。該方案的優(yōu)勢(shì)在于可克服4 μm處的S-H、4.5 μm處的Se-H吸收峰影響，同時(shí)又避免了As2Se3光纖較低的抗激光損傷性能劣勢(shì)，但是多級(jí)光纖間的級(jí)聯(lián)處理要求極高且引入了額外的連接損耗，導(dǎo)致輸出功率也限制在百毫瓦附近。 表1 硫系光纖的中紅外SC譜輸出性能（部分） 硫系光纖的色散調(diào)控方式 傳統(tǒng)硫系玻璃的材料，色散零點(diǎn)波長(zhǎng)（ZDW）普遍位于中長(zhǎng)波紅外區(qū)域，如典型的As2S3大于4.5 μm，As2Se3大于7 μm，通常需采用中紅外OPO/OPA抽運(yùn)以獲得超寬SC譜輸出。為了實(shí)現(xiàn)光纖激光器的有效抽運(yùn)，可采用繁雜的氟化物過渡配合多種硫系光纖，進(jìn)行多種光纖的級(jí)聯(lián)抽運(yùn)，或者直接對(duì)硫系光纖的色散及ZDW進(jìn)行調(diào)控。 光纖的ZDW色散調(diào)節(jié)可通過波導(dǎo)色散調(diào)控（如微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或波導(dǎo)尺寸的亞波長(zhǎng)化）或者材料色散直接調(diào)節(jié)（玻璃組分優(yōu)化）來實(shí)現(xiàn)。 波導(dǎo)色散調(diào)控方式典型的波導(dǎo)色散調(diào)控方式采用光子晶體光纖（PCF）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用多層空氣孔徑及孔距調(diào)節(jié)的自由度，來實(shí)現(xiàn)ZDW藍(lán)移和色散的調(diào)控設(shè)計(jì)。但是由于硫系玻璃的機(jī)械強(qiáng)度低且抗析晶能力差，多層空氣孔結(jié)構(gòu)的硫系PCF制備存在極大的挑戰(zhàn)和難度——硫系PCF易于設(shè)計(jì)但難于制備。常用的堆積法很難實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量硫系PCF制備，2011年法國(guó)科研人員采用了澆筑法成功獲得了3層空氣孔分布的硫系PCF-目前僅有的多層空氣孔結(jié)構(gòu)的硫系PCF。 此外為了提高硫系光纖的結(jié)構(gòu)非線性系數(shù)，人們?cè)O(shè)計(jì)了單層空氣孔分布的懸吊芯硫系PCF，并采用鉆孔法和擠壓法分布獲得了3孔/4孔分布的懸吊芯硫系PCF，如圖3所示。其中，基于As2S3玻璃的單層懸吊芯光纖的非線性系數(shù)高達(dá)2750W-1km-1@1.55 μm，而基于GeAsSeTe玻璃的單層懸吊芯光纖的非線性系數(shù)高達(dá)3983 W-1 km-1@5 μm。 圖3 硫系PCF：(左)3層空氣孔PCF，(中/右)3孔/4孔懸吊芯 波導(dǎo)色散調(diào)節(jié)的另外一種方法是將光纖進(jìn)行拉錐化處理，通過纖芯尺寸的亞波長(zhǎng)化以實(shí)現(xiàn)ZDW藍(lán)移并提高光纖的結(jié)構(gòu)非線性，但普通階躍型光纖拉錐所付出的代價(jià)是激光傳輸功率的降低和纖芯模場(chǎng)能量的損失。 多包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可實(shí)現(xiàn)光纖的波導(dǎo)色散調(diào)控功能，尤其是超平坦色散曲線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，低色散值的平坦色散曲線更有利于超平坦SC譜的產(chǎn)生。相比于空氣孔PCF結(jié)構(gòu)，多包層階躍型硫系光纖的制備難度較低更易于實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)基于多包層結(jié)構(gòu)的階躍型硫系光纖的報(bào)道。 材料色散調(diào)節(jié)光纖的色散調(diào)節(jié)的另一途徑是材料色散調(diào)節(jié)。通過在傳統(tǒng)的硫系玻璃體系中引入大量低色散修飾體以降低玻璃的整體色散實(shí)現(xiàn)ZDW藍(lán)移。研究表明，引入大量的低折射率鹵化物/鹵素可有效降低硫系玻璃的ZDW，如在GeGaSe中引入40%摩爾百分含量的CsI可將玻璃的ZDW藍(lán)移至3.5 μm處，在GeAsSe中引入30%摩爾百分含量的I可將ZDW從7.3 μm藍(lán)移至4.3 μm處。盡管硫鹵玻璃光纖面臨著許多艱難險(xiǎn)阻——吸潮性、元素易揮發(fā)、純化難度高等等，但是材料色散的直接調(diào)節(jié)是最根本的色散調(diào)節(jié)方法。 中紅外非線性光纖的發(fā)展前景 當(dāng)前硫系光纖的SC譜輸出譜寬已經(jīng)達(dá)到了史無前例的2-16 μm，但這些極寬SC譜的輸出功率太低且平坦性差，還需進(jìn)一步研究如何提高中紅外超寬SC譜的功率輸出和平坦性以增加其實(shí)用性。 為了提高功率輸出，必須尋求高功率抽運(yùn)源，現(xiàn)有成熟的大功率光纖激光器的峰值功率較低，其對(duì)非線性光纖的傳輸損耗、激光抗損傷性能要求較高。現(xiàn)有硫系光纖的傳輸損耗和激光抗損傷性能尚未能滿足其性能要求，其玻璃的制備工藝還有待優(yōu)化和突破，同時(shí)硫系玻璃的抗激光損傷性能及損傷機(jī)理也還有待研究探明。在SC譜的平坦性性能方面，需要對(duì)光纖的色散分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)低色散值的超平坦色散曲線分布。因此硫系光纖的色散調(diào)控目標(biāo)為低ZDW、低色散值且平坦型色散分布。 總的來說，理想的中紅外非線性光纖基質(zhì)材料應(yīng)具備如下特性：
硫系玻璃的魅力在于紅外波段獨(dú)有的高非線性和寬紅外透過性能。因此硫系光纖面臨著如何降低傳輸損耗、降低ZDW、實(shí)現(xiàn)低色散值和平坦色散分布以及提高激光抗損傷性能等諸多挑戰(zhàn)。 中紅外SC譜正朝著超寬譜、超平坦、高功率的方向發(fā)展，進(jìn)一步縮小高功率抽運(yùn)源和硫系光纖兩者之間的性能差距——這一任務(wù)十分艱巨，其面臨著高功率中紅外激光器的短缺和高性能低ZDW硫系光纖的短缺。好消息是中紅外激光已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3.92 μm（~200 mW）的單波長(zhǎng)輸出（Optica, 5:761, 2018）和譜寬1-3.9 μm/10.4 W的中紅外SC譜光源（Optica, 5:1264, 2018）。盡管當(dāng)前效率很低（10%）或者平坦性差，但是這些中紅外光源已經(jīng)非常臨近硫系光纖的ZDW區(qū)域。 因此，隨著中紅外激光器的發(fā)展和進(jìn)步，以及高性能硫系光纖的色散優(yōu)化和傳輸損耗的進(jìn)一步降低，超寬譜、超平坦、大功率的高性能中紅外SC譜光源即將到來。 作者簡(jiǎn)介： 王訓(xùn)四，研究員，寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院，致力于紅外特種光纖研究 趙浙明，副教授，嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，致力于硫系光纖的超連續(xù)譜研究 |
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