发光学报 | 基于软玻璃光纤产生中红外超连续谱研究进展

▎导 读      

中红外超连续谱（MIR-SC）超连续激光光源相比普通激光来说，具有空间相干性好、光谱范围宽、亮度高等特点，其中中红外2~5 µm波段在光谱学中涵盖了大多数分子指纹图谱，因此中红外超连续谱光源在红外对抗、医学影像及气体监测等领域具有非常广泛的应用前景。早期用于产生超连续谱的石英光纤和光子晶体光纤，由于本征吸收损耗的限制，其长波边往往难以突破2.5 µm，因此低声子吸收的软玻璃光纤成为产生超连续光源的理想介质。常见的软玻璃光纤有以氟化锆（ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF）、氟化铟（InF₃）为代表的氟化物光纤、以硫化砷（As₂S₃）、硒化砷（As₂Se₃）为代表的硫系光纤，以及含TeO₂的碲酸盐玻璃光纤。

近日，中国计量大学光电材料与器件研究院刘艳婷、黄飞飞、沈丹阳等在《发光学报》发表了题为“基于软玻璃光纤产生中红外超连续谱研究进展”的综述文章。

该综述总结了近年来利用软玻璃光纤产生中红外超连续谱光源的研究进展，分类阐述了氟化物、硫系和碲酸盐光纤这三类软玻璃光纤在超连续谱产生和应用中的发展现状。最后分析了三类软玻璃光纤的优缺点，并提出氟碲酸盐光纤有望成为一种产生宽带高功率中红外超连续谱的非线性光纤理想介质。

▎引言

激光因其相干性强、单色性好、方向性强和亮度高等特点，在基础物理、化学分析和生物医学等基础研究领域得到广泛应用。同时工业企业也开始寻求利用激光来解决所面临难题，而不同的产业应用需要激光参数各异的激光器，这对新型激光光源的开发提出了迫切需求。超连续激光光源相比普通激光来说，具有空间相干性好，光谱范围宽，高亮度等特点，其中中红外2~5 μm波段超连续谱光源在光谱学中涵盖了大多数分子指纹图谱，因此在红外对抗、医学影像、气体监测等领域具有非常广泛的应用前景。自1970年，美国Alfano等利用皮秒激光器泵浦非线性玻璃，产生了光谱覆盖范围在400~700 nm的超连续谱光源之后，越来越多的科研人员开始把注意力转移到超连续谱光源的研究中。

图1：超连续谱应用于气体吸收光谱探测的原理图

▎软玻璃光纤简介

常用于产生中红外超连续谱的软玻璃光纤有氟化物、硫系和碲酸盐光纤。氟化物光纤具有较宽的红外透过窗口（0.3~7 µm）、较低的声子能量和较高的损伤阈值，零色散波长ZDW在1.6~1.8 µm之间，利用1.55 µm和2 µm的脉冲激光即可分别实现正常和反常色散区的有效泵浦，因此成为研制高功率中红外超连续激光光源的主流非线性光纤。硫系光纤的红外透过窗口可覆盖中红外波段乃至远红外波段，且其非线性系数极高，约为石英光纤的1000倍，成为产生超宽带超连续谱激光光源的理想非线性光纤。碲酸盐光纤具有较好的热稳定性和化学稳定性，其声子能量较低，非线性系数约为石英光纤的20倍，因其零色散波长约为2.24 µm，因此常设计成微结构光纤和锥形结构以实现零色散波长的有效泵浦。考虑到氟化物光纤热稳定性和化学稳定性较差的问题，有学者提出了一种新型高功率中红外激光材料-氟碲酸盐光纤。氟碲酸盐光纤具有较高的玻璃转变温度，良好的抗潮解能力，较好的热稳定性和化学稳定性，因此成为研制高功率中红外超连续谱激光光源的又一理想非线性光纤。     

图2：常见光纤的红外损耗谱

▎中红外超连续谱研究进展

氟化物光纤是软玻璃光纤中发展最成熟的一类光纤，被广泛用于超连续谱的研究中。目前，在ZBLAN光纤中可实现的超连续谱最大输出功率可达到30 W，也是迄今为止在软玻璃光纤产生中红外超连续谱的研究中可得到的最高输出功率。随着光纤耦合技术的改进，全光纤结构的ZBLAN光纤超连续谱产生装置将进一步提高超连续谱输出功率。同属氟化物光纤的InF₃光纤在中红外超连续谱中的研究起步较晚，但随着光纤制备工艺的精进，目前在InF₃光纤中产生中红外超连续谱的最大输出功率也达到了11.8 W，光谱长波边展宽至5.4 μm，在中红外超连续谱研究中的发展潜力不容小觑。

硫系光纤具有软玻璃光纤中最宽的红外透过窗口和最高的非线性系数，低泵浦功率下也能在较短的光纤中产生较宽的超连续谱，目前在硫系光纤中获得的最大带宽的超连续光谱范围在2~16 μm，不过由于硫系光纤的损伤阈值较低，超连续谱最大输出功率仅为1.13 W。在未来的研究方向上，可考虑硫系微结构光纤的设计与制备。

碲酸盐光纤的非线性折射率介于氟化物光纤和硫系光纤之间，在较短的光纤中也能得到宽带超连续谱，目前产生的超连续谱长波边可达5.3 µm。不过因其材料中的羟基难以去除，限制了其在中红外超连续谱中的研究进程。而兼具了氟化物光纤和碲酸盐光纤特性的氟碲酸盐光纤，在短短几年的中红外超连续谱的研究中，最大输出功率已经达到25.8W，相应的光谱范围为0.93~3.99μm，可见其发展潜力巨大。

▎展望

本文综述了近年来在软玻璃光纤中产生中红外超连续谱光源的研究进展。氟化物光纤在高功率中红外超连续谱光源的研究中占据主流位置，但由于光纤材料的多声子吸收，其超连续光谱被限制在5 μm以下。因此在高相干宽带宽中红外超连续谱光源研究中常用硫系光纤，而硫系光纤的ZDW通常在10.5 μm左右，通过创新工艺改变光纤结构，可以使得ZDW有下移的可能，否则就需要长波长的激光器泵浦，而长波长的商业泵浦源也是如今市面上所欠缺的，因此其发展受到限制。碲酸盐光纤化学稳定性和热稳定性好，且非线性折射率较高，但其材料纯度不足，导致损耗较大，在研究中进展稍显缓慢。综合上述氟化物光纤和碲酸盐光纤在产生中红外超连续谱研究中的优缺点，经过组分设计和调控，在碲酸盐玻璃中混合氟化物组分和氧化物组分，制备出氟碲酸盐玻璃，在保证氟化物玻璃优异的发光带宽及低损耗的同时，通过引入碲酸盐玻璃来提高其化学稳定性和热稳定性，其中的氧化物组分可以明显提高玻璃转变温度，因此氟碲酸盐光纤有望成为产生高功率宽带宽中红外超连续谱光源的理想介质，将进一步加快中红外超连续谱的研究进展。

▎论文信息

刘艳婷,黄飞飞,沈丹阳等.基于软玻璃光纤产生中红外超连续谱研究进展[J].发光学报,2024,45(01):111-124.

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

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