什么是超連續(xù)譜？

如圖1所示，超連續(xù)譜（SC）源通常是脈沖激光（以納秒，皮秒或飛秒形式），該激光被轉(zhuǎn)換為具有非常寬光譜的光信號(hào)。燈，LED甚至是太陽，超連續(xù)譜源具有激光的最大固有優(yōu)點(diǎn)之一：它們是定向的，在某些情況下是相干的。因此，這種類型的激光器可以有效地注入和引導(dǎo)到光纖中，在遠(yuǎn)距離內(nèi)準(zhǔn)直，甚至聚焦在非常小的光斑內(nèi)，與其他寬帶光源相比，可以顯著提高其亮度。

圖1：中紅外區(qū)的超連續(xù)譜源示意圖，吸收帶具有水（H2O），甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的吸收帶。

中紅外超連續(xù)譜有哪些應(yīng)用？

所述中紅外光譜區(qū)域是用于SC源的發(fā)展最有趣的區(qū)域，因?yàn)樗膸追N材料和分子的基本吸收。因此，中紅外SC激光器主要在成像和光譜學(xué)中找到應(yīng)用。這是他們最有前途的一些應(yīng)用。

1.光學(xué)相干斷層掃描

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種成像技術(shù)，利用散射介質(zhì)中的光的散射特性以非常高的精度對體積中的對象進(jìn)行成像。此技術(shù)主要用于醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)無損檢測（NDT）。與傳統(tǒng)的近紅外OCT相比，中紅外的光學(xué)相干層析成像技術(shù)具有更高的穿透深度和更高的分辨率。主要原因很簡單：較長波長下的散射損耗較低。如圖2所示，您最喜歡的萬事達(dá)卡或Visa信用卡中的電子芯片是由高度散射的聚合物層，硅微處理器和小型電路組成的，與標(biāo)準(zhǔn)的近紅外光源相比，使用中紅外SC光源可以更好地對其體積成像紅外OCT成像系統(tǒng)。

圖2：使用中紅外OCT對信用卡中的電子芯片進(jìn)行3D成像。標(biāo)準(zhǔn)近紅外OCT圖像和中紅外OCT圖像之間的比較在d）中進(jìn)行了介紹，并突出了這種方法在中紅外中的優(yōu)勢。

2.高光譜成像

另一方面，材料和生物組織獨(dú)特的紅外吸收特性為顯微鏡和生物成像的診斷提供了另一個(gè)維度。由于這些激光器的高亮度，基于超連續(xù)譜源的高光譜成像技術(shù)以比基于FTIR的標(biāo)準(zhǔn)IR成像技術(shù)高得多的信噪比收集材料的空間和光譜信息。當(dāng)必須在同一張圖像中對不同類型的材料或組織進(jìn)行分類或區(qū)分以檢測癌癥或異常時(shí)，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢。圖2顯示了用中紅外SC獲得的結(jié)腸組織的多光譜圖像的示例，并將其與可見光圖像和共焦圖像進(jìn)行了比較。

圖3：結(jié)腸組織的成像。a）共聚焦成像，b）可見光成像，c）-d）-e）在不同SC波長處的光譜成像，以及f）顯示圖像c），d）和e）的光譜空間映射的合成圖像。

3.遙感

中紅外超連續(xù)譜激光器還具有在一定體積中多種氣體的遠(yuǎn)程檢測和識(shí)別中的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊膶拵匦钥梢愿采w最常見氣體（如CO 2，甲烷，氨等）的基本吸收。因此可以使用這些光源監(jiān)視來自精煉廠，工廠或其他工業(yè)建筑物的溫室氣體排放。圖4給出了這種應(yīng)用的簡化示例。SC源也用于燃燒系統(tǒng)[3]或炸藥[4]的遠(yuǎn)程檢測和表征。

圖4：用于監(jiān)測工業(yè)建筑物排放的溫室氣體（CO2，甲烷等）的簡化方案。

4.紅外對抗

3-5 μm的大氣透射窗口是國防應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注區(qū)域。一些最新的熱導(dǎo)導(dǎo)彈（毒刺，響尾蛇等）包括紅外探測器，可將這些導(dǎo)彈引導(dǎo)通過特定目標(biāo)。這種導(dǎo)彈中使用的探測器對諸如轉(zhuǎn)子或噴嘴等空運(yùn)車輛的高溫部件非常敏感，這些部件的黑體發(fā)射約為4 μm。一種抵抗這些導(dǎo)彈并使它們無法對準(zhǔn)目標(biāo)的方法是用寬帶，高功率中紅外超短波信號(hào)源使它們的集成探測器失明[5]。這些包括SC激光器的定向紅外對抗（DIRCM）系統(tǒng)以與圖6類似的方式放置在機(jī)載車輛上，并具有旋轉(zhuǎn)臂以掃描飛機(jī)或直升機(jī)周圍非常大的體積。

圖6：固定在飛機(jī)底部的直接紅外對抗（DIRCM）系統(tǒng)的示意圖示例。被中紅外SC光源遮蓋的導(dǎo)彈偏離了其軌跡，并沒有擊中目標(biāo)。

5.超快光子學(xué)

中紅外SC也已在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中得到廣泛使用或研究，以穩(wěn)定頻率梳狀激光器或在中紅外產(chǎn)生很少的周期脈沖。對于大多數(shù)這些應(yīng)用，中紅外超連續(xù)譜的相干特性至關(guān)重要。

如何產(chǎn)生中紅外超連續(xù)譜？

超連續(xù)譜是在種子激光器的強(qiáng)度很高的非常狹窄的空間內(nèi)的高度非線性介質(zhì)中的非線性過程產(chǎn)生的。這種過程取決于輸入激光的性質(zhì)以及介質(zhì)的色散和非線性性質(zhì)。產(chǎn)生超連續(xù)譜的物理機(jī)制非常復(fù)雜，并且是非線性光學(xué)研究領(lǐng)域的主題。生成中紅外SC源的兩種主要方法如下：

1.中紅外直接泵浦

該方法包括將高峰值功率，短脈沖，中紅外激光聚焦到高度非線性的介質(zhì)中，例如硫族化物纖維，鍺，硅等。該方法的復(fù)雜性主要在于簡單，短脈沖，中紅外激光種子。此外，當(dāng)飛秒激光器與常規(guī)色散非線性介質(zhì)結(jié)合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高相干性和高脈沖間穩(wěn)定性。

2.光纖級聯(lián)過程

該方法包括將ns或ps近紅外種子激光注入到一系列無源或有源光纖中，并在中紅外范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展傳輸。盡管近紅外種子激光器非常便宜且簡單，但只有一小部分轉(zhuǎn)換后的光成功到達(dá)了中紅外光譜區(qū)域。新型高效光纖放大器可以顯著提高中紅外的轉(zhuǎn)換率。

大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)有哪些要求？

上面列出的應(yīng)用需要緊湊，低成本的超連續(xù)譜光源，這些光源具有高亮度（高脈沖能量或平均功率），高光譜相干性（僅在某些應(yīng)用中）和高脈沖間穩(wěn)定性。

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