超连续谱产生 Supercontinuum generation

2022-10-26 15:08:41 浏览:430

定义

光的强光谱拓宽的非线性过程。

超连续体生成是将激光转换为具有非常宽的光谱带宽(即低时间相干性)的光的过程,即超宽连续光谱。这意味着时间相干性非常低,而空间相干性通常保持高。

光谱拓宽通常是通过强非线性器件传播光脉冲来实现的。例如,人们可能会通过一块散装玻璃发送强烈(放大)的超短脉冲。或者,可以通过光纤发送脉冲能量低得多的脉冲,具有波导结构,允许长传播长度和小的有效模式面积。特别令人感兴趣的是光子晶体光纤,主要是由于其不寻常的色散特性,它可以在很长的光纤上产生强烈的非线性相互作用。即使具有相当适度的输入功率,也可以实现非常宽的光谱;这导致了一种“激光彩虹”。

在许多情况下,光纤用于超连续体的产生。通常,人们使用光子晶体纤维,其可以制成具有定制的色散特性,并且由于强模态限制,通常还表现出增加的非线性度。下面简要介绍了一些不太广泛使用的特殊解决方案:

  • 在某些情况下,使用锥形纤维[6],其在短长度上提供非常强的非线性相互作用。
  • 已经有证据表明,光子晶体纤维的气孔被气体(例如可能是拉曼活性的)或高度非线性的液体(如四氯化碳[36]或甲苯[34])填充。

图1和图2显示了在非常短的纤维中产生超连续体的数值模拟结果。然而,在许多情况下,使用更长的光纤 - 然后通常与低得多的峰值功率结合使用。

 

图 1:数值模拟的超连续体,假设20-fs激光脉冲通过2毫米长的光子晶体光纤传播。时域(上图)表现出复杂的多峰结构,而光谱(下图,具有对数刻度)在多个光学倍频程上具有显着的功率谱密度。仿真考虑了色度色散、具有自陡的Kerr非线性(导致自相位调制和四波混合)和拉曼散射。可以使用RP光纤电源软件进行此类模拟。

图 2:沿光纤(垂直轴)的光谱演变。在≈1 mm的传播距离后,由于峰值功率下降了很多,进一步的光谱展宽很弱。请注意,强度色阶(右侧的条形)是对数的,跨越 40 dB 范围。

图 3:高功率超连续体光源的白光输出通过衍射光栅在空间上分散,以展示光谱含量。光束路径已经通过烟雾机变得可见。照片由NKT光子学提供。

超连续体生成的物理学

光纤中超连续体生成背后的物理机制在很大程度上取决于光纤(或其他非线性介质)的色散和长度、脉冲持续时间、初始峰值功率和泵浦波长。

当使用飞秒脉冲时,频谱增宽可能主要由自相位调制引起。在异常色散状态下,自相调制和色散的组合可能导致复杂的孤子动力学,包括高阶孤子分裂成多个基本孤子(孤子裂变)。

对于皮秒或纳秒脉冲的泵送,拉曼散射和四波混合也可以起到至关重要的作用。

当在长光纤中使用多瓦激光束时,连续波束甚至可以产生超连续体;拉曼散射和四波混合在该制度中非常重要。

生成的连续体的噪声属性在不同的参数区域中也可能非常不同。在某些情况下,例如,自相位调制是主导机制,色散是正常的,该过程非常确定,并且即使在强光谱拓宽的条件下,生成的超连续脉冲的相位相干性也可能非常高。在其他情况下(例如,涉及调制不稳定性或高拉曼增益),该过程可能对最轻微的波动(包括量子噪声)非常敏感,例如输入脉冲中的波动,因此光谱加宽的脉冲的性质因脉冲而异。在功率光谱密度尚不大的光谱区域中,强拉曼增益也可能产生大量噪声。对于相对较长的泵脉冲,通常会发生这种情况。

通常,希望使用高度非线性的光纤,通常具有特别小的有效模式面积。然而,合适的色度分散性能通常是最重要的。不适当的色散特性很难用较小的模态面积来补偿。

超连续体生成的强非线性性质使得难以直观地理解交互作用的所有细节,或预测与分析工具的关系。因此,对于此类过程的分析,需要数值脉冲传播建模(由于极端的光带宽,通常需要特殊的预防措施)。直观的图片或分析指南可以通过与此类数值模型的结果进行比较来进行测试。

相干特性

值得花一些心思研究超连续体的相干性。空间相干性(考虑交叉光谱密度)通常非常高,特别是当光源涉及单模光纤时,这种情况经常发生。另一方面,高频谱带宽表明时间相干性非常低。然而,如果光谱拓宽机制具有高度可重复性,则由周期性脉冲序列产生的超连续体仍然可以具有很高的时间相干性,因为对应于不同脉冲的电场之间可能存在很强的相关性。这种相干性实际上对于光子晶体光纤中频率梳子的产生至关重要,并且根据种子脉冲持续时间和能量,纤维长度和纤维色散等参数,可能会或可能不会实现。

高带宽和高时间相干性之间最初令人惊讶的差异可以通过实现场相关函数的形状来解决:它具有围绕零时间延迟的非常窄的峰(宽度例如几个飞秒),但是在时间延迟处也有额外的峰值,其高度相当,对应于脉冲周期的整数倍。因此,对于大多数时间延迟,在相关性消失的意义上存在低时间相干性,但在一些大时间延迟的强相关性意义上存在高时间相干性。

应用

超连续光源通常用于需要具有宽光学带宽(即低时间相干性)但同时具有高度空间相干性的光,以便光可以很好地准直和聚焦(具有色差的一些限制)。例如,人们经常将这种光源与单色器结合使用,作为光谱学中的可调光源。与可调谐激光器相比,超连续光源通常可以覆盖更宽的波长范围。另一方面,它的功率光谱密度要低得多,即人们只获得低功率,例如通过窄带单色器传输。

其他应用,如荧光显微镜、CARS显微镜、荧光寿命成像(例如用于生物成像)、流式细胞术、光学器件的表征、光纤通信系统中多个载波的产生以及光学相干断层扫描,同样可以从超连续源中获益。

还可以使用超连续源来播种超快放大器(通常是光学参数放大器),其中具有宽输入带宽非常重要。

超连续体生成在超快激光物理中也有其他应用,例如用于检测和稳定载波-包络偏移频率。这在光学频率计量中很重要。

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非线性光学

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