中红外超连续谱：基础知识

什么是超连续谱？

如图1所示，超连续谱（SC）源通常是脉冲激光（以纳秒，皮秒或飞秒形式），该激光被转换为具有非常宽光谱的光信号。灯，LED甚至是太阳，超连续谱源具有激光的最大固有优点之一：它们是定向的，在某些情况下是相干的。因此，这种类型的激光器可以有效地注入和引导到光纤中，在远距离内准直，甚至聚焦在非常小的光斑内，与其他宽带光源相比，可以显着提高其亮度。

图1：中红外区的超连续谱源示意图，吸收带具有水（H2O），甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的吸收带。

中红外超连续谱有哪些应用？

所述中红外光谱区域是用于SC源的发展最有趣的区域，因为它包含的几种材料和分子的基本吸收。因此，中红外SC激光器主要在成像和光谱学中找到应用。这是他们最有前途的一些应用。

1.光学相干断层扫描

光学相干断层扫描（OCT）是一种成像技术，利用散射介质中的光的散射特性以非常高的精度对体积中的对象进行成像。此技术主要用于医学成像和工业无损检测（NDT）。与传统的近红外OCT相比，中红外的光学相干层析成像技术具有更高的穿透深度和更高的分辨率。主要原因很简单：较长波长下的散射损耗较低。如图2所示，您最喜欢的万事达卡或Visa信用卡中的电子芯片是由高度散射的聚合物层，硅微处理器和小型电路组成的，与标准的近红外光源相比，使用中红外SC光源可以更好地对其体积成像红外OCT成像系统。

图2：使用中红外OCT对信用卡中的电子芯片进行3D成像。标准近红外OCT图像和中红外OCT图像之间的比较在d）中进行了介绍，并突出了这种方法在中红外中的优势。

2.高光谱成像

另一方面，材料和生物组织独特的红外吸收特性为显微镜和生物成像的诊断提供了另一个维度。由于这些激光器的高亮度，基于超连续谱源的高光谱成像技术以比基于FTIR的标准IR成像技术高得多的信噪比收集材料的空间和光谱信息。当必须在同一张图像中对不同类型的材料或组织进行分类或区分以检测癌症或异常时，这是一个很大的优势。图2显示了用中红外SC获得的结肠组织的多光谱图像的示例，并将其与可见光图像和共焦图像进行了比较。

图3：结肠组织的成像。a）共聚焦成像，b）可见光成像，c）-d）-e）在不同SC波长处的光谱成像，以及f）显示图像c），d）和e）的光谱空间映射的合成图像。

3.遥感

中红外超连续谱激光器还具有在一定体积中多种气体的远程检测和识别中的应用，因为它们的宽带特性可以覆盖最常见气体（如CO 2，甲烷，氨等）的基本吸收。因此可以使用这些光源监视来自精炼厂，工厂或其他工业建筑物的温室气体排放。图4给出了这种应用的简化示例。SC源也用于燃烧系统[3]或炸药[4]的远程检测和表征。

图4：用于监测工业建筑物排放的温室气体（CO2，甲烷等）的简化方案。

4.红外对抗

3-5 µm的大气透射窗口是国防应用领域的关注区域。一些最新的热导导弹（毒刺，响尾蛇等）包括红外探测器，可将这些导弹引导通过特定目标。这种导弹中使用的探测器对诸如转子或喷嘴等空运车辆的高温部件非常敏感，这些部件的黑体发射约为4 µm。一种抵抗这些导弹并使它们无法对准目标的方法是用宽带，高功率中红外超短波信号源使它们的集成探测器失明[5]。这些包括SC激光器的定向红外对抗（DIRCM）系统以与图6类似的方式放置在机载车辆上，并具有旋转臂以扫描飞机或直升机周围非常大的体积。

图6：固定在飞机底部的直接红外对抗（DIRCM）系统的示意图示例。被中红外SC光源遮盖的导弹偏离了其轨迹，并没有击中目标。

5.超快光子学

中红外SC也已在光学实验室中得到广泛使用或研究，以稳定频率梳状激光器或在中红外产生很少的周期脉冲。对于大多数这些应用，中红外超连续谱的相干特性至关重要。

如何产生中红外超连续谱？

超连续谱是在种子激光器的强度很高的非常狭窄的空间内的高度非线性介质中的非线性过程产生的。这种过程取决于输入激光的性质以及介质的色散和非线性性质。产生超连续谱的物理机制非常复杂，并且是非线性光学研究领域的主题。生成中红外SC源的两种主要方法如下：

1.中红外直接泵浦

该方法包括将高峰值功率，短脉冲，中红外激光聚焦到高度非线性的介质中，例如硫族化物纤维，锗，硅等。该方法的复杂性主要在于简单，短脉冲，中红外激光种子。此外，当飞秒激光器与常规色散非线性介质结合使用时，可以实现高相干性和高脉冲间稳定性。

2.光纤级联过程

该方法包括将ns或ps近红外种子激光注入到一系列无源或有源光纤中，并在中红外范围内进行扩展传输。尽管近红外种子激光器非常便宜且简单，但只有一小部分转换后的光成功到达了中红外光谱区域。新型高效光纤放大器可以显着提高中红外的转换率。

大多数应用系统有哪些要求？

上面列出的应用需要紧凑，低成本的超连续谱光源，这些光源具有高亮度（高脉冲能量或平均功率），高光谱相干性（仅在某些应用中）和高脉冲间稳定性。

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