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【资讯】电子科技大学刘永、李剑峰教授：全光纤紫外-中红外高功率超连续谱光源

2026-09-10 17:23:59 行业资讯 17

激光器，脉冲激光器，超连续谱激光器，覆盖紫外（UV）、可见（VIS）、近红外（NIR）直至中红外（MIR）的全谱段光源，是先进生物医学成像、环境监测与材料分析等领域的基石性工具。

覆盖紫外（UV）、可见（VIS）、近红外（NIR）直至中红外（MIR）的全谱段光源，是先进生物医学成像、环境监测与材料分析等领域的基石性工具。由于全谱段光源能够同时覆盖多种物质的特征吸收谱带，它可以支撑全面的化学分析并揭示复杂的分子与原子相互作用。尤其是紫外与中红外波长的同时可得性，为先进光谱技术带来了显著便利：在泵浦-探测光谱中，紫外光可激发高能电子跃迁，而中红外探测则能同步追踪由此引发的振动动力学与能量再分配路径；在光热显微等泵浦-探测成像中，特定化学键对中红外光的共振吸收诱导热透镜效应，利用可见-紫外光的高空间分辨率，可实现化学键选择性的显微乃至纳米尺度成像。全谱段激光器在单一紧凑平台上同时提供泵浦与探测光，无需额外的时间同步，有望大幅推动键选择性、高分辨、易普及的分子动力学研究。

然而，现有超宽带光源难以兼顾光谱覆盖宽度与仪器集成化。热辐射源虽然覆盖宽，但亮度低且相干性差；同步辐射源亮度与可调谐性无与伦比，却依赖昂贵的大型设施。基于光子晶体光纤（PCF）的超连续谱（SC）源、中红外光纤SC源以及片上波导SC源虽紧凑实用，却通常局限于UV-NIR或NIR-MIR区间，覆盖存在明显缺口；融合光参量振荡、色散波产生与脉冲内差频等多种非线性过程的混合型SC源虽可弥合谱段缺口，却依赖昂贵的中红外非线性晶体和庞大的光参量啁啾脉冲放大系统，且普遍存在光谱功率分布不均的问题。因此，如何同时实现全谱段的高功率、高光谱平坦度输出，并兼顾系统的小型化与低成本，成为该领域亟待突破的关键难题。

图1 各类宽带光源的波长覆盖范围与应用场景。(a) 不同技术路线SC源的光谱覆盖对比，网格阴影区为本工作实现的覆盖范围；(b) 典型全谱段（UV-MIR）光源在平均功率与光谱平坦度两个维度上的对比

近日，电子科技大学刘永、李剑峰教授团队首次实现了全光纤结构的紫外-中红外全谱段超连续谱光源，光谱覆盖370-4550 nm、跨越三个倍频程，平均输出功率达3.05 W，6小时功率波动仅0.61%，为全谱段激光光源的小型化与实用化开辟了新途径。相关成果以“Intense three-octave spanning full-spectrum fiber source”为题，发表于Advanced Photonics 2026年第3期。

该团队创新性地提出并验证了一种基于单一1550 nm种子源的多级放大与光谱递进展宽架构，如图2所示，首次实现了全光纤结构的UV-MIR全谱段SC光源。为规避传统双波长泵浦方案带来的时间同步与系统复杂性难题，巧妙地设计了如下技术路线：首先，1550 nm、1 ns、500 kHz的种子经两级铒镱共掺光纤放大器（EYDFA）放大后，注入10 m单模光纤与高非线性光纤（HNLF），在自相位调制、调制不稳定性（MI）、孤子分裂与拉曼频移等非线性效应的共同作用下，产生覆盖0.9-2.9 μm的初级SC，完整覆盖Er3+与Yb3+两个增益带。

随后，该宽谱种子被注入由大模场铒镱共掺光纤（LMA-EYDF）与大模场掺镱光纤（LMA-YDF）级联构成的主放大器，对光子晶体光纤（PCF）以及氟化铟（InF3）光纤的近零色散（NZD）波段（1000-1200 nm和1450-1650 nm）光信号实施同步放大。级联结构消除了Yb3+对1000-1200 nm辐射的潜在再吸收，并通过精确调节增益光纤长度实现两波段增益的独立优化与功率均衡，最终获得最高9.37 W、时域天然同步的双波段泵浦源。该泵浦源经模场适配器（MFA）注入100 cm PCF，通过相位匹配的蓝移色散波产生将短波边缘推进至紫外；再利用10 m InF3光纤中的拉曼频移将长波成分延展至4550 nm，最终实现370-4550 nm的全谱段覆盖，平均输出功率达3.05 W。

图2 全谱段光纤激光器的实验装置、光谱演化与输出光束轮廓。(a) 全光纤SC产生系统示意图；(b) 对应图(a)中各标记位置的光谱演化过程；(c) 未滤波输出光束轮廓；(d) 一阶衍射图样

为深入理解纳秒脉冲泵浦SC产生的物理机制，团队通过求解广义非线性薛定谔方程（GNLSE），并引入种子噪声、放大器ASE噪声与量子真空涨落三类噪声源，对该过程进行了严格的数值模拟。如图3所示，在调制不稳定性作用下，放大后的纳秒脉冲在传输约5 m后分裂为大量峰值功率达数十千瓦、脉宽数十飞秒的超短子脉冲，为剧烈光谱展宽提供了物理基础；而最终输出光谱的超高平坦度，源于多个脉冲光谱的相互叠加平滑效应。模拟结果与实验光谱高度吻合，验证了模型的有效性。

图3 纳秒脉冲泵浦SC产生的模拟结果。包括各级放大与非线性展宽后的输出光谱、纳秒脉冲时域碎裂过程、单发与多发平均光谱演化

在PCF与InF3光纤两级非线性介质中，光谱被进一步推向紫外与中红外。基于精准匹配的色散波产生过程，PCF将短波波长扩展至~360 nm，随后，利用InF3光纤中的受激拉曼频移，将长波波长拓展至~4550 nm，最终获得平均功率3.05 W的UV-MIR全谱段输出，如图4所示，10 dB与20 dB带宽达到3450 nm与4060 nm，6小时功率波动低至0.61%。各波长处的输出光斑均呈现近高斯分布，展现出优异的光束质量。与现有全光纤SC光源（含商用产品）的参数对比表明，该工作在光谱覆盖、光谱平坦度与残余泵浦抑制等多项关键指标上处于领先水平，是首个同时实现UV–MIR全波段覆盖的全光纤SC光源。

图4 UV-MIR输出光谱特性。（a）UV–MIR SC输出光谱；（b）功率转换效率；（c）6小时功率稳定性

研究通过巧妙的非线性级联过程设计与成熟的中红外光纤处理技术，实现了全谱段光纤激光技术的突破性进展：光谱覆盖370-4550 nm、跨越三个倍频程，平均功率达3.05 W，弥补了传统PCF基UV-NIR SC源与中红外光纤基NIR-MIR SC源之间的关键缺口。其实现依托三项协同创新：（1）以调制不稳定性为基础，定制多级非线性过程，建立超高平坦度的预展宽基底；（2）精细设计LMA级联放大架构，实现1100 nm与1600 nm双波段的高效均衡放大，有效规避传统双波长方案的系统复杂性与时钟同步难题；（3）双波段泵浦精准匹配PCF与InF3光纤的近零色散带，并利用课题组长期积累的成熟中红外光纤处理工艺高效桥接不同基质光纤，以实现光谱向紫外与中红外的双向扩展及高平坦度输出。最终攻克了紫外产生效率、中红外功率保持、全光纤化集成之间的不可能三角。这一紧凑、低成本的全光纤架构超连续光源为弥合实验室级超宽带SC源与可现场部署光子解决方案之间的鸿沟提供了清晰路径。

参考文献：中国光学期刊网

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