1969年，Robert Alfano和Stanley Shapiro發明了一種新的激光。這種激光是光場通過材料經曆巨大光譜展寬後的結果，因其跨越大部分可見光譜，故得名超連續。如今，超連續光源已能跨一個(ge) 甚至多個(ge) 倍頻程，而可見光範圍約為(wei) 一個(ge) 倍頻程，因此超連續意味著白色激光成為(wei) 現實。

兩(liang) 人發現綠激光的高強皮秒脈衝(chong) 和特殊晶體(ti) 或玻璃相互作用時會(hui) 被顯著展寬，由此觀察到白光的產(chan) 生。隨後，研究人員使用液體(ti) 和氣體(ti) 也產(chan) 生了超連續光，並進入紅外範圍。

早期的超連續產(chan) 生實驗裝置

紅光脈衝(chong) 通過液體(ti) 池後展寬變成白光

來源：科學美國人2006年12月刊(Alfano文章)

1999年，光子晶體(ti) 光纖為(wei) 超連續領域帶來了革命性的突破，盡管早在1978年就有通過光纖產(chan) 生超連續的報導。光纖不僅(jin) 能把光約束在細微的纖芯中，長距離維持高光強，而且還能通過色散工程優(you) 化非線性光孤子，產(chan) 生超大光帶寬。從(cong) 此，超連續實驗裝置開始從(cong) 複雜變得簡單，商用化產(chan) 品不斷湧現。

光纖超連續激光彩虹

John Dudley & Gory Genty的文章

非線性和超快

盡管實驗裝置簡單，但是超連續產(chan) 生的物理過程非常複雜。一般而言，激光功率越高，誘導的材料非線性極化越強，超連續譜的帶寬越大，所以皮秒和飛秒激光因為(wei) 具有高峰值功率常被用作種子源。下麵三圖比較了不同功率的飛秒激光通過Thorlabs高非線性光纖展寬的模擬結果。因為(wei) 高非線性光纖的模場較小，所以熔接過程更為(wei) 複雜，Thorlabs提供專(zhuan) 業(ye) 光纖熔接服務，如有此類需求歡迎聯係我們(men) 。

諧波產(chan) 生等常見的非線性光學效應是一個(ge) 波長到另一個(ge) 波長的離散轉換，但超連續則是將原本較寬的光譜連續變得更寬，這是孤子分裂、色散波和孤子自頻移共同作用的結果。

材料的線性光學性質由折射率確定。寬帶光脈衝(chong) 通過材料時具有不同的折射率，由於(yu) 這種色散，脈衝(chong) 中不同波長的光分量通過光纖的速度不同，其時間脈衝(chong) 包絡被展寬，但是頻譜不變。

色散：時間包絡展寬，頻譜保持不變

來源：Gory Genty教授PPT，下同

另外，超短光脈衝(chong) 由於(yu) 高峰值功率可使材料的折射率產(chan) 生微小變化，變化量和強度相關(guan) 。材料折射率的非線性變化反過來使光脈衝(chong) 的振蕩模式產(chan) 生相位差，這個(ge) 過程叫做自相位調製。光強相關(guan) 的折射率用下式表示，其中n2為(wei) 非線性係數。

對於(yu) 前半個(ge) 脈衝(chong) ，強度和折射率隨時間增加，波速越來越慢，頻率減小。對於(yu) 後半個(ge) 脈衝(chong) ，強度和折射率隨時間減小，波速越來越快，頻率增加。因此，自相位調製創造了新的頻率，產(chan) 生隨時間變化的瞬時頻率(啁啾)，使較低頻率出現在上升沿，較高頻率出現在下降沿。

自相位調製：頻譜展寬，時間輪廓不變

孤子演變

超連續起於(yu) 非線性自相位調製和線性色散的共同作用。根據光纖性質和傳(chuan) 輸波長的不同，由於(yu) 色散，脈衝(chong) 的高頻和低頻分量的時間間隔可能增加或減小。增加時脈衝(chong) 隨時間分散，減小時脈衝(chong) 形成穩定的光孤子波形。

對於(yu) 基態孤子，脈衝(chong) 形狀和振幅不隨傳(chuan) 播距離變化。但是還有一類高階孤子，它們(men) 在色散和自相位調製的相互作用下，脈衝(chong) 形狀和光譜隨時間和距離演變。在破壞對稱的擾動下，高階孤子分裂成一係列基態孤子，繼續非線性和色散傳(chuan) 播並且受上述擾動影響。

對於(yu) 每個(ge) 新形成的孤子，高階色散使能量向短波長傳(chuan) 遞，非彈性光散射效應使光譜連續向長波長頻移。完全理解這兩(liang) 個(ge) 過程中的數學細節非常複雜，但通過模擬可形象地展示脈衝(chong) 在時域和頻域的演變過程。

左圖展示色散和非彈性散射誘導的孤子分裂，右圖展示超連續的光譜演變，頻移孤子和色散波在演變初期就開始產(chan) 生。每個(ge) 注入脈衝(chong) 通過光纖輸出相同的超連續光，光譜跨一個(ge) 倍頻程而且極其穩定，在數百THz範圍內(nei) 保持相幹。有了穩定的跨倍頻程超連續激光，精密光學頻率梳也成為(wei) 現實，在20年內(nei) 實現20位小數的精密頻率測量。

超連續產(chan) 生=孤子分裂+色散波+孤子頻移

孤子模擬

a. 理想的基態孤子，波形不變，非線性自相位調製和線性色散達到完美平衡。

b. 高強度脈衝(chong) 在時域和頻域形成周期性高階孤子：某個(ge) 時間和位置出現一個(ge) 波峰，迅速消失後再次形成。

c. 在孤子分裂時，初始光脈衝(chong) 分成一係列基態孤子(S)和色散波(DW)。兩(liang) 種模擬中都包含破壞初始周期演變的的高階色散。單孤子分裂成多孤子，在傳(chuan) 播時，色散使孤子帶寬向高頻(短波長)展寬，非彈性散射使孤子帶寬向低頻(長波長)展寬。

調製不穩定性

無噪聲超連續光使用100 fs以內(nei) 的脈衝(chong) 產(chan) 生。對於(yu) 更寬的脈衝(chong) ，超連續演變初期不經曆高階孤子動態，而是以調製不穩定性這種噪聲驅動過程激發頻率邊帶，對輸入脈衝(chong) 形成強調製。從(cong) 噪聲初步增長後，被調製光場演變成類似基態孤子串並產(chan) 生頻移。由於(yu) 初始種子為(wei) 噪聲驅動，對於(yu) 不同的脈衝(chong) ，孤子振幅和寬度在時域和頻域都會(hui) 隨機變化，因此產(chan) 生的超連續光不具有相位穩定性。

超連續激光應用

作為(wei) 信使之光，聯係世界；作為(wei) 計量之光，精確報時；作為(wei) 治愈之光，恢複健康；作為(wei) 傳(chuan) 感之光，保護環境。換成光學表達就是：高容量波分複用、精密時間和頻率測量、生物醫學(OCT和成像)、大氣和農(nong) 業(ye) 科學(激光成絲(si) )。

來源：今日物理2013年7月刊