▎導 讀      

中紅外超連續譜（MIR-SC）超連續激光光源相比普通激光來說，具有空間相干性好、光譜范圍寬、亮度高等特點，其中中紅外2~5 μm波段在光譜學中涵蓋了大多數分子指紋圖譜，因此中紅外超連續譜光源在紅外對抗、醫學影像及氣體監測等領域具有非常廣泛的應用前景。早期用于產生超連續譜的石英光纖和光子晶體光纖，由于本征吸收損耗的限制，其長波邊往往難以突破2.5 μm，因此低聲子吸收的軟玻璃光纖成為產生超連續光源的理想介質。常見的軟玻璃光纖有以氟化鋯（ZrF?-BaF?-LaF?-AlF?-NaF）、氟化銦（InF?）為代表的氟化物光纖、以硫化砷（As?S?）、硒化砷（As?Se?）為代表的硫系光纖，以及含TeO?的碲酸鹽玻璃光纖。

近日，中國計量大學光電材料與器件研究院劉艷婷、黃飛飛、沈丹陽等在《發光學報》發表了題為“基于軟玻璃光纖產生中紅外超連續譜研究進展”的綜述文章。

該綜述總結了近年來利用軟玻璃光纖產生中紅外超連續譜光源的研究進展，分類闡述了氟化物、硫系和碲酸鹽光纖這三類軟玻璃光纖在超連續譜產生和應用中的發展現狀。最后分析了三類軟玻璃光纖的優缺點，并提出氟碲酸鹽光纖有望成為一種產生寬帶高功率中紅外超連續譜的非線性光纖理想介質。

▎引言

激光因其相干性強、單色性好、方向性強和亮度高等特點，在基礎物理、化學分析和生物醫學等基礎研究領域得到廣泛應用。同時工業企業也開始尋求利用激光來解決所面臨難題，而不同的產業應用需要激光參數各異的激光器，這對新型激光光源的開發提出了迫切需求。超連續激光光源相比普通激光來說，具有空間相干性好，光譜范圍寬，高亮度等特點，其中中紅外2~5 μm波段超連續譜光源在光譜學中涵蓋了大多數分子指紋圖譜，因此在紅外對抗、醫學影像、氣體監測等領域具有非常廣泛的應用前景。自1970年，美國Alfano等利用皮秒激光器泵浦非線性玻璃，產生了光譜覆蓋范圍在400~700 nm的超連續譜光源之后，越來越多的科研人員開始把注意力轉移到超連續譜光源的研究中。

圖1：超連續譜應用于氣體吸收光譜探測的原理圖

▎軟玻璃光纖簡介

常用于產生中紅外超連續譜的軟玻璃光纖有氟化物、硫系和碲酸鹽光纖。氟化物光纖具有較寬的紅外透過窗口（0.3~7 μm）、較低的聲子能量和較高的損傷閾值，零色散波長ZDW在1.6~1.8 μm之間，利用1.55 μm和2 μm的脈沖激光即可分別實現正常和反常色散區的有效泵浦，因此成為研制高功率中紅外超連續激光光源的主流非線性光纖。硫系光纖的紅外透過窗口可覆蓋中紅外波段乃至遠紅外波段，且其非線性系數極高，約為石英光纖的1000倍，成為產生超寬帶超連續譜激光光源的理想非線性光纖。碲酸鹽光纖具有較好的熱穩定性和化學穩定性，其聲子能量較低，非線性系數約為石英光纖的20倍，因其零色散波長約為2.24 μm，因此常設計成微結構光纖和錐形結構以實現零色散波長的有效泵浦。考慮到氟化物光纖熱穩定性和化學穩定性較差的問題，有學者提出了一種新型高功率中紅外激光材料-氟碲酸鹽光纖。氟碲酸鹽光纖具有較高的玻璃轉變溫度，良好的抗潮解能力，較好的熱穩定性和化學穩定性，因此成為研制高功率中紅外超連續譜激光光源的又一理想非線性光纖。     

圖2：常見光纖的紅外損耗譜

▎中紅外超連續譜研究進展

氟化物光纖是軟玻璃光纖中發展最成熟的一類光纖，被廣泛用于超連續譜的研究中。目前，在ZBLAN光纖中可實現的超連續譜最大輸出功率可達到30 W，也是迄今為止在軟玻璃光纖產生中紅外超連續譜的研究中可得到的最高輸出功率。隨著光纖耦合技術的改進，全光纖結構的ZBLAN光纖超連續譜產生裝置將進一步提高超連續譜輸出功率。同屬氟化物光纖的InF?光纖在中紅外超連續譜中的研究起步較晚，但隨著光纖制備工藝的精進，目前在InF?光纖中產生中紅外超連續譜的最大輸出功率也達到了11.8 W，光譜長波邊展寬至5.4 μm，在中紅外超連續譜研究中的發展潛力不容小覷。

硫系光纖具有軟玻璃光纖中最寬的紅外透過窗口和最高的非線性系數，低泵浦功率下也能在較短的光纖中產生較寬的超連續譜，目前在硫系光纖中獲得的最大帶寬的超連續光譜范圍在2~16 μm，不過由于硫系光纖的損傷閾值較低，超連續譜最大輸出功率僅為1.13 W。在未來的研究方向上，可考慮硫系微結構光纖的設計與制備。

碲酸鹽光纖的非線性折射率介于氟化物光纖和硫系光纖之間，在較短的光纖中也能得到寬帶超連續譜，目前產生的超連續譜長波邊可達5.3 μm。不過因其材料中的羥基難以去除，限制了其在中紅外超連續譜中的研究進程。而兼具了氟化物光纖和碲酸鹽光纖特性的氟碲酸鹽光纖，在短短幾年的中紅外超連續譜的研究中，最大輸出功率已經達到25.8W，相應的光譜范圍為0.93~3.99μm，可見其發展潛力巨大。

▎展望

本文綜述了近年來在軟玻璃光纖中產生中紅外超連續譜光源的研究進展。氟化物光纖在高功率中紅外超連續譜光源的研究中占據主流位置，但由于光纖材料的多聲子吸收，其超連續光譜被限制在5 μm以下。因此在高相干寬帶寬中紅外超連續譜光源研究中常用硫系光纖，而硫系光纖的ZDW通常在10.5 μm左右，通過創新工藝改變光纖結構，可以使得ZDW有下移的可能，否則就需要長波長的激光器泵浦，而長波長的商業泵浦源也是如今市面上所欠缺的，因此其發展受到限制。碲酸鹽光纖化學穩定性和熱穩定性好，且非線性折射率較高，但其材料純度不足，導致損耗較大，在研究中進展稍顯緩慢。綜合上述氟化物光纖和碲酸鹽光纖在產生中紅外超連續譜研究中的優缺點，經過組分設計和調控，在碲酸鹽玻璃中混合氟化物組分和氧化物組分，制備出氟碲酸鹽玻璃，在保證氟化物玻璃優異的發光帶寬及低損耗的同時，通過引入碲酸鹽玻璃來提高其化學穩定性和熱穩定性，其中的氧化物組分可以明顯提高玻璃轉變溫度，因此氟碲酸鹽光纖有望成為產生高功率寬帶寬中紅外超連續譜光源的理想介質，將進一步加快中紅外超連續譜的研究進展。

▎論文信息

劉艷婷,黃飛飛,沈丹陽等.基于軟玻璃光纖產生中紅外超連續譜研究進展[J].發光學報,2024,45(01):111-124.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230274/

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