中紅外超連續譜：基礎知識

什么是超連續譜？

如圖1所示，超連續譜（SC）源通常是脈沖激光（以納秒，皮秒或飛秒形式），該激光被轉換為具有非常寬光譜的光信號。燈，LED甚至是太陽，超連續譜源具有激光的最大固有優點之一：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到光纖中，在遠距離內準直，甚至聚焦在非常小的光斑內，與其他寬帶光源相比，可以顯著提高其亮度。

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

中紅外超連續譜有哪些應用？

所述中紅外光譜區域是用于SC源的發展最有趣的區域，因為它包含的幾種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中找到應用。這是他們最有前途的一些應用。

1.光學相干斷層掃描

光學相干斷層掃描（OCT）是一種成像技術，利用散射介質中的光的散射特性以非常高的精度對體積中的對象進行成像。此技術主要用于醫學成像和工業無損檢測（NDT）。與傳統的近紅外OCT相比，中紅外的光學相干層析成像技術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，與標準的近紅外光源相比，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。

圖2：使用中紅外OCT對信用卡中的電子芯片進行3D成像。標準近紅外OCT圖像和中紅外OCT圖像之間的比較在d）中進行了介紹，并突出了這種方法在中紅外中的優勢。

2.高光譜成像

另一方面，材料和生物組織獨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維度。由于這些激光器的高亮度，基于超連續譜源的高光譜成像技術以比基于FTIR的標準IR成像技術高得多的信噪比收集材料的空間和光譜信息。當必須在同一張圖像中對不同類型的材料或組織進行分類或區分以檢測癌癥或異常時，這是一個很大的優勢。圖2顯示了用中紅外SC獲得的結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行了比較。

圖3：結腸組織的成像。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

中紅外超連續譜激光器還具有在一定體積中多種氣體的遠程檢測和識別中的應用，因為它們的寬帶特性可以覆蓋最常見氣體（如CO 2，甲烷，氨等）的基本吸收。因此可以使用這些光源監視來自精煉廠，工廠或其他工業建筑物的溫室氣體排放。圖4給出了這種應用的簡化示例。SC源也用于燃燒系統[3]或炸藥[4]的遠程檢測和表征。

圖4：用于監測工業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用領域的關注區域。一些最新的熱導導彈（毒刺，響尾蛇等）包括紅外探測器，可將這些導彈引導通過特定目標。這種導彈中使用的探測器對諸如轉子或噴嘴等空運車輛的高溫部件非常敏感，這些部件的黑體發射約為4 μm。一種抵抗這些導彈并使它們無法對準目標的方法是用寬帶，高功率中紅外超短波信號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）系統以與圖6類似的方式放置在機載車輛上，并具有旋轉臂以掃描飛機或直升機周圍非常大的體積。

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

5.超快光子學

中紅外SC也已在光學實驗室中得到廣泛使用或研究，以穩定頻率梳狀激光器或在中紅外產生很少的周期脈沖。對于大多數這些應用，中紅外超連續譜的相干特性至關重要。

如何產生中紅外超連續譜？

超連續譜是在種子激光器的強度很高的非常狹窄的空間內的高度非線性介質中的非線性過程產生的。這種過程取決于輸入激光的性質以及介質的色散和非線性性質。產生超連續譜的物理機制非常復雜，并且是非線性光學研究領域的主題。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中，例如硫族化物纖維，鍺，硅等。該方法的復雜性主要在于簡單，短脈沖，中紅外激光種子。此外，當飛秒激光器與常規色散非線性介質結合使用時，可以實現高相干性和高脈沖間穩定性。

2.光纖級聯過程

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，并在中紅外范圍內進行擴展傳輸。盡管近紅外種子激光器非常便宜且簡單，但只有一小部分轉換后的光成功到達了中紅外光譜區域。新型高效光纖放大器可以顯著提高中紅外的轉換率。

大多數應用系統有哪些要求？

上面列出的應用需要緊湊，低成本的超連續譜光源，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（僅在某些應用中）和高脈沖間穩定性。

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