芬兰坦佩雷大学、波兰华沙大学和法国勃艮第大学的研究人员合作使用非硅基、折射率分级变化的多模光纤实现了中红外的超连续光源。此多模光纤中能够产生两个八度的超连续光谱，为需要高空间光束质量和高功率的中红外光学应用提供了超宽带光源。这项研究已发表于Nature Communications。研究人员表示，这种光纤可用于环境传感、分子指纹识别、显微镜、医疗诊断、气体监测、光谱学、激光雷达等方面，也可以成为产生宽带源和频率梳的标准工具。除这些应用外，这些光纤还能够用于一些物理现象的研究（ 如波湍流的研究 ）。
在此工作中，研究人员使用两种具有不同折射率的玻璃材料并将其以特定的排列方式堆叠在一起，设计了一种折射率具有抛物线分布的多模光纤，能够实现中红外传输和高非线性。并且，光纤中短脉冲光的光谱实现大幅拓宽，涵盖可见光到中红外波段。另外，由于抛物线型折射率所引起的光束自清洁动力能够使光束保持平滑。这种具有超宽光谱和高功率的平滑光束光源可用于环境传感或医疗诊断的高分辨率成像。
新型光纤产生超连续光谱的示意图
为实现具有类似于可见光和近红外的超连续光谱特征的超连续，研究人员使用两种类型的铅铋酸盐玻璃棒生产了光纤，从而实现了具有不同的折射率的纳米结构纤芯。制造的多模光纤具有抛物线型折射率曲线，与硅纤维相比，新的多模光纤的非线性增加了10倍。另外，抛物线型的折射率也诱导了光束的自清洁效应，使光束保持平滑。
由于非线性折射率的增强，铅铋酸盐光纤产生的光谱比传统光纤的带宽大得多。当研究人员将飞秒脉冲注入光纤时，产生了从可见光到中红外（700至2800纳米）的超连续光谱。通过研究超连续体产生机制与泵浦波长和泵浦功率的关系，研究人员发现了超连续产生过程中光束的非线性自清洁效应。
研究人员还表征了光纤在整个超连续谱的几个波长段中的相对强度噪声。在某些受控的注入条件下，他们发现了明显的自清洁动态特征，表现在光纤输出处有一个接近单模的空间强度分布。他们将实验结果与时空数值模拟进行比较研究自清洁动力学过程，并将多模光纤中产生的超连续光谱解释为非线性折射率的增强。这种光纤折射率的分级变化导致了光纤内光线的周期性聚焦和散焦，使得空间和时间上的非线性光-物质相互作用之间产生耦合。这种耦合导致了光束的自我清洁机制，产生了具有高功率和清洁光束轮廓的超连续光。
超连续激光已经被用于包括计量学、成像和超宽带遥感的科研领域。在此项研究之前，这些超连续光束都在硅基光纤中获得，而且光谱仅分布在可见光和近红外区域。这项研究通过设计两种具有不同折射率的铅铋酸盐玻璃棒生产具有纳米结构的光纤芯，实现制备一种具有有效折射率呈抛物线的光纤，其传输光谱可达中红外。该光纤的高非线性增强了非线性光-物质相互作用效应，为更多相关科研和应用提供了解决方案。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29776-6
（文章来源：中国光学期刊网）
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