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        超連續譜激光:超乎尋常的新型光源
        發布時間:2024-04-03    來源:解放軍報 王握文 朱晰然 張斌   閱讀次數:375 分享到:
        ●它“脫胎”于激光,在光纖“沃土”里茁壯成長

        ●它兼具高亮度和寬光譜雙重優勢,性能超乎尋常

        ●它有望應用于光電對抗、戰場感知等軍事領域

        國防科技大學前沿交叉學科學院研究員侯靜為您講述——超連續譜激光:超乎尋常的新型光源

        在光學領域,激光具有亮度高、單色性好、方向性強等特點,被譽為“最亮的光、最快的刀、最準的尺”。它的廣泛應用,帶來一系列創新創造,推動了人類科學進步和經濟社會發展。

        激光誕生10年后的1970年,一種新的激光光源——超連續譜激光橫空出世。它與一般的單色性(窄譜)普通激光不同,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,甚至可達上萬納米。

        源自激光,光纖成為“沃土”

        超連續譜激光的誕生,似乎“違背”了線性光學常識和規律。因為超連續譜激光具有像普通白光一樣寬的光譜范圍。而在傳統線性光學理論中,白光雖能分解為各種顏色的單色光,但一束單色光不可能直接變成白光。也就是說,人們不能直接獲得超連續譜(寬光譜)光源。

        不可思議的是,1970年,美國科學家阿拉諾和夏皮羅將一束準單色的綠光——皮秒脈沖激光,注入固體非線性介質(一種特殊的光學玻璃)中,意外獲得了400~700納米的白光輸出。

        單色綠光竟變成了復合的白光,光譜寬且連續。這一偶然的科學發現,迅速震驚了光學界。從此,一種新型光源——超連續譜激光誕生了。

        產生超連續譜激光的背后機理,是強激光與介質間非線性相互作用的結果。即當一種或多種準單色的強激光“種子”在介質(如玻璃、氣體等)這片“土壤”中傳播時,光波的電場強度足以與介質原子內部的電場相比擬。此時,“種子”光與介質“土壤”相互作用,產生了“非線性效應”。這一效應使單色激光的光譜像發生“基因突變”一樣,向短波和長波拓展。新產生的光譜成分又會連續不斷地向兩側拓展。最終,一個窄帶光譜拓展成一個超寬連續譜,即超連續譜。

        早期產生超連續譜激光的“土壤”并不理想,主要集中在固體、氣體和液體等常規非線性介質中。這不僅需要極高峰值功率的入射激光“種子”,而且傳輸損耗大、光束質量不高,難以達到應用要求。

        20世紀80年代,低損耗光纖的誕生與應用,為超連續譜激光提供了一片極佳的“沃土”。光纖能將激光約束在微米量級的光纖纖芯中,增強了激光與介質相互作用的非線性效應。同時,還能增加傳輸和相互作用距離,提升輸出光束質量。

        1996年,英國南安普頓大學的科研人員研制出一種非常適合超連續譜形成的光子晶體光纖。它具有更高非線性系數、更靈活可調色散的特性,在超連續譜激光研究中具有里程碑意義。從此,超連續譜激光的研究和應用得到飛速發展。

        如今,在軟玻璃光纖、拉錐光纖等越來越多的新型光纖中,可產生超連續譜激光,科學家還將超連續譜激光產生的“土壤”縮小至氮化硅等硅基波導上,使其能與現有的互補金屬氧化物半導體實現片上兼容,有望拓寬硅基光子學的應用。

        性能出眾,優勢集于一身

        超連續譜激光一經誕生,就以其獨一無二的光源特性,驚艷了整個光學界。它不僅具有激光亮度高、相干性強、方向性好等特點,還可擁有和太陽光類似的寬光譜性能。

        光色絢麗多彩。超連續譜激光經常被形象地稱為白光激光,但它所涵蓋的波段遠不只處于可見光波段的白光,而從最早的可見光波段拓展至紫外、近紅外、中遠紅外波段,不同波段的超連續譜激光在應用方面也各有所長??梢哉f,超連續譜激光是一種比白光更絢麗多彩的多色光。

        光譜范圍寬且亮度高。與普通激光的窄譜特性相比,超連續譜激光光譜極寬(如上所說,可達上萬納米),且是連續展寬。這一寬譜優勢,能覆蓋眾多波段。有計算表明,以常見的峰值功率在10兆瓦量級、時域重頻在千赫茲的飛秒超連續譜光源為例,其照射在單位面積上的激光功率是太陽輻照功率密度的700余倍。超連續譜激光的高亮度由此可見一斑。

        時域靈活可控。超連續譜激光有連續波激光、納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等,可根據不同應用需求,作不同重復頻率、不同脈寬激光的選擇。比如,在光纖通信中需要高重復頻率的超連續譜激光光源,在光學相干層析技術中一般使用脈寬飛秒量級的超連續譜激光光源。與此同時,綜合調節時域參數,還可實現對特定形狀、特定譜寬超連續譜激光的量身定制。

        潛力驚人,助推軍事變革

        激光作為20世紀的重大發明,一誕生便照亮了世界。比普通激光性能更加優越的超連續譜激光,應用前景十分廣闊。

        在生物醫學領域,基于超連續譜激光光源的光學相干層析技術,可實現對視網膜和冠狀動脈等活體組織的三維成像和臨床診斷;在食品安全領域,利用超連續譜激光光源照射被測樣品,可在短時間內采集到樣本的吸收光譜和透射光譜,從而實現對食品的快速檢驗;在通信領域,超連續譜激光光源可充當“運輸超人”的角色,應用在波分復用通信系統,成為當今信息時代的“及時雨”;在成像領域,超連續譜激光光源正在照亮大到器官、小到分子的物體,幫助人類更加清晰地探知世界。

        在軍事領域,超連續譜激光光源因其與眾不同的性質,被美、俄、法等國開發應用于光電對抗、戰場感知、軍事通信等方面,可望帶來變革性影響。

        光電對抗將勝人一籌。目前,采用主動紅外對抗的方法,利用高亮度的紅外激光對敵方光電設備進行壓制、破壞,是保證航空飛行器安全的重要手段。與輸出波長單一、調諧困難的光參量振蕩器和量子級聯激光器相比,超連續譜激光光源具有空間相干性好、光譜范圍寬的先天優勢,有可能覆蓋敵方光電傳感器全波段,使其無法采用窄帶濾波和光學陷波等方法進行防護,是光電對抗的理想光源。尤其是位于中紅外波段(2500~5000納米)的超連續譜激光光源,可覆蓋常見紅外熱尋導引頭的典型工作波段。這樣,就可有效實現對敵方精確制導武器的干擾及致盲。目前有報道稱,美軍已將包含中紅外超連續譜激光光源的定向紅外對抗系統,裝配在大型飛機和直升機底部,并配備旋轉臂以掃描飛機周圍可疑目標,實現對紅外制導導彈導引頭的干擾,最終使其偏離固定軌跡、脫離目標。

        戰場感知將更加精準。超連續譜激光的寬帶特性,可覆蓋常見氣體(如二氧化碳、甲烷、氨氣等)的“吸收峰”,實現對多種氣體的同步、實時、遠程監測。同時,超連續譜激光光源空間相干的特性,使其與氣體混合物有著很長的相互作用長度,能顯著提升探測靈敏度,實現對極微量氣體分子的探測。德國伊爾默瑙理工大學還利用超連續譜激光器與光學短通濾光片耦合,以較高的空間分辨率,測量出大氣湍流的溫度場和速度場,有望助力于天氣預測。此外,以超連續譜激光作為照明光源的主動高光譜成像技術,已被一些發達國家應用于各種探測任務。與傳統成像照明光相比,寬譜超連續譜激光可在超遠距離對目標進行持續主動照明,更有助于鑒別偽裝目標,提高目標識別準確率,增加敵方防御難度。

        海量數據將更快傳輸。通過光譜濾波技術,切割超連續譜激光光源,理論上可得到任意個波分復用光源。這種高重復頻率、多波長的相干脈沖光源,是實現高速、大容量光通信系統的關鍵技術。日本已能利用超連續譜激光光源產生1064個信道的多波長光源,實現2.7太比特/秒(1太比特相當于10244比特)的高速光纖通信。一個超連續譜激光光源能“以一頂千”,取代上千個普通激光光源。這將為需要傳輸海量數據的信息化聯合作戰提供高速、緊湊的技術支撐。而在自由空間通信領域,有研究團隊證明,采用超連續譜激光光源作為部分相干高速載波,能有效抑制大氣湍流造成的光強閃爍,并實現16吉比特/秒(1吉比特相當于10243比特)的通信速率。未來,如果將基于超連續譜激光光源的空間通信技術作為一種戰場應急通信方案,那么在應用于突發事件、局部戰爭等情況時,將會更加得心應手。

        隨著技術進步和工藝水平提升,未來超連續譜激光將朝著平均功率更高、光譜更寬、光束質量更好的方向發展。
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