Leukos可见光和近红外超连续谱激光产生技术

Leukos利用色散光纤产生了在400和700nm之间形成平坦且均匀的连续谱。在红外范围内添加第二个泵实现了单模和真正的白色激光源。还获得了在1064和1750nm之间的所有红外范围的宽光谱展宽。 如Leukos的SAMBA，ELECTRO IR，ELECTRO-VIS型号的超连续谱激光器。

Leukos发表的这篇文章的中文标题可以翻译为：使用原始多波长泵浦系统在正常色散光纤中产生白光超连续谱。我们报告了在正常色散单模空气-二氧化硅微结构光纤中产生白光超连续谱的实验演示。我们证明，使用被动调Q微芯片激光器的基波和二次谐波信号同时激发微结构光纤在其正常和异常色散状态下会导致可见光范围内的均匀超连续谱。这种泵浦方案允许抑制级联拉曼效应优势，有利于参数现象引起的有效光谱展宽。实现了从400到700nm的平坦超连续谱。

由于电信系统、时间分辨吸收、光谱学、光学计量学或生物医学光学等巨大的潜在应用，连续谱生成在过去40年中得到了广泛的研究。它首先在块状硼硅酸盐玻璃中得到证实，后来在包括液体波导和气体在内的各种非线性介质中得到证实。微结构光纤的进步和发展带来了具有可控色散特性的新光纤系列。因此，零色散波长(ZDW)可以移向近红外，并与各种纳秒到飞秒高峰值功率激光器的工作波长相匹配，在-20dB水平上产生超过1000nm的宽带连续谱。连续谱的产生是多种非线性现象的结果，例如受激拉曼散射(SRS)、自相位和交叉相位调制(SPM和XPM)、四波混频(FWM)、高阶孤子形成和通过模态相位的参量混频在多模光纤的情况下匹配。根据泵浦波长和功率以及光纤的色散特性，所有这些效应都直接影响连续谱均匀性并以不同的权重出现。通过在其ZDW附近或在强正色散状态下泵浦单模光纤获得宽带连续波。

然而，从来没有证明过具有大的正常色散的平坦连续谱生成。实际上，在这种情况下，级联拉曼散射是主要效应，并导致能量从泵向离散的下移频率转移。为了避免SRS在光纤中的影响，已经提出了几种机制。其中一种机制是基于涉及参量斯托克斯和反斯托克斯边带并抑制普通拉曼斯托克斯辐射生长的FWM过程。拉曼过程的控制也在高双折射光纤中进行了研究，并通过线性偏振双频泵浦方案在参数抑制无效的强正色散状态下进行了证明。

在本文中，我们报告了使用单模微结构光纤(MOF)在可见光范围内获得平坦和均匀连续谱的可能性，这些光纤(MOF)分别由被动Q-开关纳秒脉冲激光器。双激发可以显着抑制级联拉曼过程，有利于FWM和XPM，产生从近紫外到近红外（350-750nm）的白光超连续谱源。

设置如图1所示。泵浦源由一个被动Q开关Nd:YAG激光器组成，该激光器以5.4kHz的重复频率运行，并在λ=1064nm处提供600ps脉冲。激光的自由空间辐射在20mm长的II型KTP晶体中倍频，转换效率优于35%，在λ=532nm时产生420ps的脉冲。这些红外和绿光辐射耦合到一个4m长的MOF中。两个滤光片（名为“RG85”和“BG18”）用于在光纤的发射端对可见光或红外辐射进行完全过滤。

这些实验中使用的MOF是在我们的实验室中通过传统的堆叠和绘制工艺制造的。纤维的截面扫描电子显微镜图像如图1所示。孔到孔的间距Λ约为2.2μm，导致芯直径约等于2.8μm。平均孔径d为1.5μm。得到的比率d/Λ等于0.68表明该光纤略微多模。事实上，在1064和532nm的泵浦波长处，我们观察到了LP01和LP11模式的引导。第二种模式的抑制是通过将纤维缠绕在直径约为1厘米的线轴上来实现的

图1.微结构空气-二氧化硅纤维的实验装置和横截面扫描电子显微镜图像。

使用全矢量有限元算法并考虑到图1所示的实际横截面，计算了400到1600nm的基模的色散和有效面积。图2中绘制的结果表明，ZDW位于λ∼870nm，因此介于两个泵浦波长λ=532nm和λ=1064nm之间。在这些波长下，色散分别为-410ps/nm/km和+55ps/nm/km。在800nm处计算为大约4μm2的小有效面积Aeff给出了非线性系数γ=2π.n2/λ.Aeff在该波长处等于0.06W-1.m-1(n2为非线性折射率，n2∼3×10-20m2.W-1)。在800nm处计算的基模横向能量分布也绘制在图2(a)的插图中。

图2.计算得到的微结构光纤基模的色散(a)和有效面积(b)与波长的关系。插图：在λ=800nm处计算的横向能量分布。

在第一种情况下，IR辐射被过滤掉。在光纤输出端测量的平均功率为3mW，在波导中传播的绿色峰值功率接近1.5kW。由于532nm(-410ps/nm/km)处的强法向色散，拉曼散射是主要的非线性过程。实际上，通过级联拉曼效应产生多达七个拉曼级（图3（a））。

我们现在考虑基波和二次谐波辐射在光纤中共同传播的情况。耦合透镜的色差和光纤纵向微位移的实现允许耦合到光纤芯中的可见光/红外功率比发生变化。对于1064nm处的足够功率，我们观察到非线性行为的完全修改，从而在532nm附近产生对称且均匀的光谱展宽（图3（b））。由于准抑制SRS效应，这种新的连续谱显示在350nm至750nm之间，光谱平坦度显着提高。除了剩余的532nm峰值外，5dB带宽经测量接近300nm。

图3.单(a)和双(b)泵配置情况下正常色散状态下的连续介质生成。图片：衍射光束。图表：相应记录的功率谱。(a)级联拉曼效应在单个泵(532nm)存在下清晰可见。(b)当添加第二个泵(1064nm)时，光谱平滑且对称地变宽。相应的单模横向能量分布显示在插图（远场模式）中。

连续体可以分为两部分。波长大于532nm的第一个似乎是通过FWM、SPM、XPM和SRS的组合获得的。特别是FWM和XPM因位于大反常色散区域(+55ps/nm/km)中的第二泵浦波长(1064nm)的存在而加剧。由于高参量增益，SRS现象显着减少，允许连续和平坦的光谱展宽的增长。然而，一些残余振荡的存在证明拉曼效应没有被完全抑制，并且可能仍然有助于展宽。近红外区域（~750nm）的超连续谱的极限直接取决于绿色和红外泵浦功率。泵浦功率越高，超连续谱越宽。

在第二部分（从380nm到532nm），光谱分布特别平滑，没有断开或振荡。波长增长似乎是由XPM和参数效应的组合构建的。实际上，似乎在1064nm和1750nm之间的红外区域中获得了光谱展宽（见图4)在产生蓝色/紫外线区域的波长方面发挥作用。此外，在这个波长范围内，预计SRS现象不会有任何贡献，其中反斯托克斯波没有接收到显着的能量。蓝色范围内的超连续谱的极限直接取决于红外泵浦功率，并且似乎对绿色能量不太敏感。在380nm以下，只有两个以355和365nm为中心的峰被识别出来，似乎是由红外泵产生的三次谐波产生的。

图4.在红外范围内测量的连续谱功率谱（反常色散区）。

值得注意的是，非线性过程的变化取决于输入IR泵浦功率以及1064nm和532nm泵浦波长之间的功率比Pω/P2ω。在我们的实验中，当比率Pω/P2ω>2.8时，SRS现象的准完全抑制和频谱轮廓的平滑尤其发生。对于较低的比率，残留的拉曼峰在光谱轮廓中清晰可见，并且在350和532nm之间没有观察到明显的光谱展宽（图5）。无论如何，FWM和SRS现象之间的竞争似乎是对连续剖面演化的正确解释。

图5.使用532和1064nm泵浦时在可见光范围内获得的连续谱功率谱，但Pω/P2ω比值不足。

1064nm泵浦的贡献在红外域中也可见（图4）。我们观察到光谱向高波长显着展宽，达到所用光谱分析仪的上限（1750nm）。SRS和FWM的结合产生了平滑的频谱轮廓。不幸的是，存在于MOF二氧化硅核内的OH-键会在λ∼1.4μm处引起显着吸收，从而限制了该红外连续谱在光学相干断层扫描应用中的可用带宽。然而，当使用非火焰熔融石英玻璃制造MOF时，可以避免这个缺点，表现出低OH-吸收。在OH中获得的IR光谱示例-我们实验室制造的无-游离MOF如图6所示，并成功地证实了使用足够的二氧化硅材料的必要性。

图6.在IRCOM用非火焰熔融石英玻璃制造的微结构光纤中获得的红外连续谱功率谱。在1400nm处不再观察到OH-吸收峰。

这篇文章是Leukos发表的，报道了使用原始多波长泵浦系统在正常色散光纤中产生白光超连续谱，文章名为Pierre-Alain Champert, Vincent Couderc, Philippe Leproux, Sébastien Février, Vincent Tombelaine, Laurent Labonté, Philippe Roy, Claude Froehly, and Philippe Nérin, "White-light supercontinuum generation in normally dispersive optical fiber using original multi-wavelength pumping system," Opt. Express 12, 4366-4371 (2004)

我们已经使用具有532和1064nm辐射的双泵浦方案在通常色散的空气二氧化硅微结构光纤中证明了超连续谱的产生。观察到由于在正常和异常色散状态下的同步激发导致的显着且对称的光谱展宽，导致在400和700nm之间形成平坦且均匀的连续谱。在红外范围内添加第二个泵可以加剧四波混合过程并显着抑制受激拉曼散射现象。因此，实现了单模和真正的白色激光源。还获得了在1064和1750nm之间的所有红外范围（测量设备的上限）的宽光谱展宽。

这里提出的新泵浦方案适用于所有光纤，以便通过控制拉曼效应来加宽和展平光谱连续谱。例如，可以在其零GVD波长（~1300nm）的两侧泵浦标准单模光纤，以在第二和第三通信窗口中产生超连续谱。此外，多波长泵浦可以扩展到由高效激光源产生的三个或四个同步辐射，以覆盖石英光纤的整个透明窗口。

此外，我们最近在我们的实验室制造了一种新的微结构光纤，其良好的色散特性和低紫外吸收允许有效提高380nm以下的连续谱生成，从而产生至少350到532的准恒定功率水平nm（不破坏超过532nm的展宽）。这些结果将很快被提议发表。