摘要
光纤超连续谱具有光谱宽、亮度高、空间相干性好等优势，在光电对抗、气体探测、光学相干层析成像等领域应用前景广阔。针对不同应用场景对超连续谱性能提出的差异化需求，分别从光纤超连续谱的功率提升、长波拓展、低噪声研究三个核心方向，回顾了近年来在上述三个方面的研究进展，总结了性能提升的技术路线，并对未来的发展进行了展望，旨在为高性能超连续谱的研制与应用提供帮助。
Abstract
Fiber-based supercontinuum offer broad spectral bandwidth, high brightness, and excellent spatial coherence, showing great promise in applications such as electro-optical countermeasures, gas sensing, and optical coherence tomography. To address the diverse performance requirements of supercontinuum imposed by different application scenarios, this paper reviewed recent advances in three key directions of fiber-based supercontinuum: power scaling, long wave extension, and low noise research. The technical approaches tailored to enhance each specific performance metric were summarized, and an outlook on future developments was provided, aiming to serve as a reference for the development and application of high-performance supercontinuum.
Keywords
超连续谱（supercontinuum，SC）是一种新型的宽带光源。与激光的单色性不同，其光谱覆盖范围非常广，从几百纳米到几微米不等[1]。超连续谱在要求宽光谱、高亮度的领域（如光谱学[2-4]、气体探测[4-8]、生物医学[9-10]、光计算[11]、国防安全[12]等）有着广泛的应用。
超连续谱的产生基于激光在介质中的非线性效应，当激光的峰值功率足够高时，介质对入射电场的响应是非线性的，激光在传输过程中会产生新的频率成分，这一过程就是非线性效应。非线性效应主要有自相位调制（self-phase modulation，SPM）、调制不稳定（modulation instability，MI）、受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）、交叉相位调制（cross-phase modulation，XPM）、四波混频（four-wave mixing，FWM）、孤子自频移（soliton self-frequency shift，SSFS）、光波破碎（optical wave breaking，OWB）等[12]。高峰值功率脉冲激光入射到介质材料中，在介质的色散和非线性效应共同作用下，激光的光谱出现了剧烈的展宽，最终形成超连续谱[13-14]。
光纤作为一种波导结构，能够将光束缚在微米尺度的纤芯内部，从而增强光与物质的相互作用，降低产生非线性效应所需要的峰值功率；同时，纤芯的波导约束有助于提升光束质量，实现高质量的超连续谱输出。目前基于光纤产生超连续谱已经成为超连续谱研究的重点[15]。
不同的应用场景对超连续谱提出了差异化的核心指标要求。光电对抗应用中，超连续谱输出功率直接关系到对敌方设备的毁伤能力，相比于传统的单色激光器，超连续谱光源凭借其宽谱的特性，可以同时覆盖硅基（可见光）、InGaAs（近红外）、HgCdTe（中红外）等探测器的响应波段，有效规避敌方采用窄带滤波等波长选择性抗干扰措施，具备宽谱致盲的能力。然而，由于能量分散在整个光谱中，其单位波长的功率密度低于同等总功率单波长的激光，因此提升超连续谱光源的输出功率以增强功率密度是光电对抗领域重要的研究方向。此外，更高的输出功率还可以增大传播距离和到靶功率，提升致盲能力。在光学相干层析成像等高精度成像应用中，超连续谱作为宽带光源，可以提高轴向分辨率，但是系统灵敏度与成像对比度则依赖于光源强度的稳定性，特别是相对强度噪声（relative intensity noise，RIN）会直接转化为背景噪声，限制探测能力，同时还会影响重复测量的稳定性[16-17]。因此，发展低噪声、高相干性的超连续谱光源，是推进其在测量领域实用化的关键。在气体探测、食品安全检测等领域，许多目标分子（如CH4、CO、NH3等）在中红外“指纹区”（2~5 μm）具有强特征吸收峰。为实现高灵敏度检测，超连续谱光源必须覆盖这些特征波长，这对光谱带宽尤其是向中红外的拓展能力提出了迫切需求[4，18]。
上述应用需求对超连续谱光源提出了多维度性能要求，其中输出功率、中红外光谱范围与强度噪声已成为制约其在光电对抗、痕量探测与高灵敏度成像等场景中实用化的关键问题。相较而言，其他参数（如偏振态、脉冲时序等）虽在特定系统中有重要作用，但功率、波长范围与噪声直接决定了光源是否可用，更具普适性。
基于此，本文以“功率提升—长波拓展—低噪声研究”为主线，梳理了近年来光纤超连续谱研究的进展。在功率提升方面，不仅关注平均功率的突破，还总结了具有时空非线性调控能力的新型光纤结构（渐变折射率光纤、长拉锥光纤）在实现高功率输出的同时，兼顾高光束质量的成果；在长波拓展方面，重点关注将光谱向8~12 μm波段延伸的研究进展，以最大化超连续谱的长波覆盖范围；在低噪声研究方面，聚焦非线性动力学对噪声的调控，总结正常色散区、反常色散区不同的强度噪声抑制路径。本文旨在为面向不同应用场景的高性能超连续谱光源研发提供设计参考。
1 超连续谱的功率提升
高功率超连续谱在光电对抗[19]、高光谱激光雷达[20]等领域有着非常重要的应用。目前，对高功率超连续谱功率的研究在可见光至近红外波段可以达到kW量级[21-24]，而在中红外波段，受限于中红外光纤材料的性质以及高功率近红外泵浦源的不成熟，中红外波段的高功率超连续谱输出功率通常仅为30~50 W[25-30]。下面，将具体介绍在可见光至近红外波段、中红外波段的高功率超连续谱工作。
1.1 可见光至近红外波段高功率超连续谱
可见光至近红外波段的高功率超连续谱的产生方案主要有两种：第一种是基于主振荡功率放大（master oscillator power amplifier，MOPA）结构的超连续谱产生，第二种是基于随机光纤激光器结构的超连续谱产生。
1.1.1 基于MOPA结构的高功率超连续谱研究进展
MOPA结构采用多级预放大器将脉冲种子激光的功率逐步提升，在最后一级主放大器将功率和峰值功率放大到所需的水平[31-32]。基于MOPA结构的高功率超连续谱可分为两类：放大后泵浦非线性光纤产生超连续谱[33-34]；在主放大器中直接产生超连续谱[21，35]。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）因高非线性和色散可调的特性被广泛用于可见光至近红外超连续谱产生[36-37]。但是PCF纤芯直径通常仅几微米，功率承受能力有限；同时，其模场和MOPA输出尾纤存在模场失配，导致熔接点处的损耗大，发热严重，限制了功率的进一步提升。为此研究人员提出了多芯光纤[38-39]、级联PCF[40-41]以及长拉锥光纤[42]等方法来增大PCF输入端的模场直径，提升输出功率。截至目前，基于PCF的超连续谱最高平均功率仍由中国工程物理研究院的董克功团队于2021年报道：采用皮秒脉冲泵浦长拉锥PCF光纤实现的超连续谱平均功率为314.7 W、光谱范围为390~2 400 nm[42]。
相比于PCF，多模光纤有着更高的功率承受能力。其中，渐变折射率多模光纤（graded-index multimode fiber，GRIN MMF）不仅可以支持更高的传输功率，而且渐变折射率分布引起的周期性光束自成像、与模间色散等相互作用，催生了丰富的时空非线性现象。其中最具代表性的包括几何参量不稳定性（geometric parametric instability，GPI）和克尔自清洁效应。2016年，法国利摩日大学 Krupa 等首次报道了GPI效应，采用1 064 nm的超短脉冲在正常色散区泵浦GRIN MMF，在泵浦波长两侧产生了多个对称的频率边带[43]；2017年该课题组报道了超短脉冲在GRIN MMF中传输时，光纤中的高阶模式会转移到基模，光束质量得到净化，这一现象被称为光束自清洁效应[44]。
GRIN MMF凭借独特的光谱拓展、光束质量优化机制，加上高功率承受能力，已经成为实现可见光至近红外高功率超连续谱的重要平台。研究人员陆续报道了在GRIN MMF中产生可见光波段的超连续谱[45-51]。2022年，西安光机所张挺团队实现了GRIN MMF与放大器输出尾纤的熔接，首次报道了全光纤结构的GRIN MMF超连续谱，平均功率2 W[47]。同年清华大学张海涛等将平均功率提高到了25 W[48]。2023年，西安光机所张挺团队进一步实现平均功率30 W输出[49]。同年本文课题组采用四级MOPA放大结构泵浦10 m长的50/125 μm GRIN MMF（实验装置结构见图1（a）），在620 W的平均泵浦功率和72 kW峰值功率下，获得了平均输出功率204 W、光谱覆盖范围580~2 400 nm的超连续谱，输出光束因自清洁效应在不同波长下均呈现近高斯的形状，见图1（b）[50]。2025年，北京工业大学也报道了100.4 W的超连续谱输出[51]。
除了在PCF和GRIN MMF等光纤中展宽光谱，也可以在放大器结构中直接产生超连续谱[52]。方案优点是放大器尾纤无须与非线性光纤熔接，减小了损耗，具有实现千瓦级超连续谱输出的潜力。近年来，本文课题组围绕基于掺镱光纤（ytterbium-doped fiber， YDF）放大器直接输出超连续谱的功率提升开展了系统性的工作。早期实现了70 W的输出功率[53]， 2023年，进一步实现了714 W的超连续谱输出，光谱范围为690~2 350 nm[35]。
2024年，本文课题组首次报道了基于长拉锥掺镱光纤（tapered ytterbium-doped fiber，T-YDF）放大器直接产生超连续谱，实验结构如图2所示[21]。自制的T-YDF输入和输出端的纤芯/包层直径分别约为20/400 μm和30/600 μm，光纤长度为20 m。在7.5 MHz的泵浦重复频率下，实现了1 066 W输出功率，光谱范围为1 000~1 650 nm；最大输出功率下的光束质量测试表明，得益于长锥形光纤的使用，系统在1 000 nm、1 064 nm和1 100 nm三个波段均保持良好的光束质量，光束质量因子（M2因子）约为2。尽管该工作验证了锥形光纤在改善光束质量上的潜力，但其光谱成分主要集中在近红外波段（1 000~1 650 nm），且光束质量仍有进一步提升空间。
Fig.2Experimental setup of an amplifier-based supercontinuum source with an output power of 1 066 W[21]
2025年，本文课题组提出了一种混合架构[54]，在文献[21]的实验结构上，在T-YDF输出端熔接一段多模无源双包层长锥形光纤（multimode double-clad taper passive fiber， MM-DTF），光纤一端纤芯/包层直径为30/600 μm，与T-YDF输出端匹配，另一端纤芯/包层直径为20/400 μm，作为输出。通过优化盘绕直径（11 cm）、降低种子重复频率（5 MHz）来增强非线性效应与模式净化，最终在261 W输出功率下，光谱拓展至800~2 200 nm，如图3（a）所示。图3（b）给出了261 W功率下光束质量的测试结果，在1 064 nm处的M2约为1.29。这些进展表明，通过光纤几何设计与系统参数协同优化，可在高功率下同步实现宽光谱与近衍射极限光束质量。
1.1.2 基于随机光纤激光器结构的高功率超连续谱研究进展
随机光纤激光器利用光纤中的瑞利散射提供分布式的随机反馈，当反馈增益大于损耗时，可以实现激光振荡输出[55]。瑞利散射能够提供宽带的反馈，使其能够产生超连续谱。为了获得足够的反馈增益，系统需要使用长无源光纤，SPM、XPM、SRS等非线性效应得以有效激发，实现光谱展宽。与1.1.1节基于MOPA结构产生超连续谱不同，基于随机光纤激光器结构可以使用连续光泵浦，避免了脉冲泵浦的高峰值功率对光纤毁伤，这使得随机光纤激光在产生高功率超连续谱上具有显著的优势[56]。
2018年，电子科技大学饶云江团队[57]首次报道了基于随机光纤激光器结构输出超连续谱，验证了基于随机激光器产生超连续谱的能力。后续许多研究者在功率提升上开展了工作。2020年，印度纳米科学研究所Arun等[58]提出基于拉曼散射的双波长泵浦结构，获得了输出功率70 W、光谱范围850~1 900 nm的超连续谱。2022年，上海光学精密机械研究所冯衍团队[59]采用掺镱光纤放大器对种子激光进行功率放大，将泵浦源的功率提升到了300 W，最终获得了输出平均功率134 W、光谱范围852~2 055 nm 的超连续谱输出。
2022年，清华大学的肖起榕团队提出了多波长泵浦的全开腔随机光纤激光器结构[24]，实验结构如图4所示。将放大后的拉曼光纤激光振荡器和掺镱光纤激光振荡器的双波长泵浦光同时注入415 m的46/400 μm双包层掺锗光纤（germanium doped fiber，GDF）中，在全开腔拉曼光纤振荡器中实现了平均功率3 kW、20 dB光谱带宽为1 094~1 668 nm的超连续谱输出，这一报道充分体现了随机光纤激光器在产生高功率超连续谱上的巨大能力，但是功率的进一步提升受限于指数增长的反向输出功率。
Fig.4Experimental setup of a3 000 W supercontinuum generation based on full-open cavity random fiber laser [24]
2023年，本文课题组提出了基于单级振荡器结构的半开腔随机光纤激光器产生高功率超连续谱[22]。在泵浦功率为1 847 W时，实现1 300 W平均功率，20 dB光谱带宽为1 035~1 796 nm，光-光的转换效率达66%。该转换效率是目前报道的随机光纤激光器输出超连续谱中的最高水平。同时激光器只有单级振荡器，结构简单，反馈器件的存在进一步增强了时域稳定性。
1.1.3 产生方案对比
综上所述，当前可见光至近红外波段的高功率超连续谱产生主要基于MOPA结构与随机光纤激光器结构，表1总结了不同方案在输出功率、光谱带宽、光束质量等方面的结果，各类方案都各具优势，但也面临不同的技术挑战。
基于MOPA结构的方案通过不同的非线性介质，可实现从紫外到近红外的超宽带输出：其中，PCF在短波拓展（可至390 nm）方面表现突出，但受限于模场失配与小纤芯，功率进一步提升受限；GRIN MMF得益于克尔自清洁效应和GPI，实现了204 W的输出功率、近高斯光束输出和短波拓展，具有高亮度应用潜力；基于掺镱光纤直接展宽的MOPA方案则在高功率输出上更有优势，已实现1 066 W的高功率输出，但其光谱范围偏窄，难以实现短波拓展。
表1可见光至近红外高功率超连续谱产生方案对比
Tab.1Comparison of high-power supercontinuum generation schemes from visible to near-infrared
值得注意的是，随着GRIN MMF、长拉锥光纤等具有时空非线性效应的新型光纤的发展，MOPA 技术的发展逐渐转向“高功率-高光束质量-宽带光谱”的协同优化。目前，基于这两种光纤均已实现200 W量级、近高斯光束的超连续谱输出，其中文献[54]报道了在1 064 nm处M2≈1.29的高光束质量超连续谱。这为实现高亮度超连续谱光源提供了切实可行的技术路径。尽管当前输出功率距离千瓦量级仍有差距，但GRIN MMF和长拉锥光纤均属于少模或者多模光纤，其功率提升能力还未达到物理极限。未来通过优化泵浦参数、盘绕直径、热管理方式以及光纤结构设计等，有望在维持M2≤1.3的同时，进一步提升输出功率，甚至是实现千瓦级功率的目标。
相比之下，随机光纤激光器方案采用连续光泵浦避免了高峰值功率带来的非线性损伤，且结构简单，已实现1.3 kW（半开腔）乃至3 kW（全开腔）的超高功率输出，展现出卓越的功率扩展潜力。然而，该方案普遍可见光谱成分不足，短波拓展受限。
1.2 中红外波段高功率超连续谱
中红外波段一般指波长在2~20 μm的电磁波。石英光纤的声子能量高，传输中红外波段的光损耗非常大，不能作为中红外的传输介质。图5给出了常见光纤材料成纤后在长波边界典型的损耗谱。碲酸盐光纤、ZBLAN（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）光纤的低损耗传输边界大约为4 μm，氟化铟（InF3）光纤的传输边界约为5 μm，硫系光纤的传输边界可达6 μm及以上，As2Se3光纤的传输边界最长，可以达到8 μm。
Fig.5Typical attenuation spectra at the long-wavelength edge for common fiber materials after being fabricated into fibers[60]
选择合适的中红外光纤用于产生高功率超连续谱，除了需要考虑光纤传输中红外波段光的损耗，还需要考虑光纤的理化性质和非线性特性。表2给出了上述几种光纤的理化特性和非线性的特征参数[61]。
从表2可以看出，硫系光纤的非线性折射率要比碲酸盐光纤、氟化物光纤高出1~2个数量级，同时传光边界也是最长的，但硫系光纤的转变温度（约为180℃）和自聚焦阈值非常低，在高平均功率和高峰值功率泵浦下，容易发生损伤，这极大限制了其在高功率中红外超连续谱产生上的能力。目前基于硫系光纤的中红外超连续谱激光的最高功率仅为1.13 W[62]，硫系光纤主要适用于实验级的中红外长波拓展研究，这一点将在第2节中进行介绍。
氟化物光纤的非线性折射率是三种中红外光纤中最小的，但是氟化物光纤（ZBLAN、InF3光纤）商用产品已经较为成熟，同时氟化物光纤的折射率约为1.5，接近石英光纤折射率，可以进行石英-氟化物光纤的低损耗熔接，有利于实现全光纤的高功率中红外超连续谱。
2014年，北京工业大学刘昆等[63]报道了在单模ZBLAN光纤中产生的平均功率21.8 W、光谱范围1.9~3.8 μm的超连续谱，是当时的最高水平。2015年，该课题组首次将类噪声脉冲用于中红外超连续谱产生[64]，低重频2 μm 类噪声脉冲放大后泵浦ZBLAN光纤，最大输出功率为14.3 W，光谱范围为1.9~3.62 μm。2019年，本文课题组首次报道了波长覆盖3 μm以上的30 W中红外超连续谱激光[25]，光谱宽度覆盖1.9~3.35 μm。2020年，本文课题组进一步优化ZBLAN光纤参数[65]，实现了长波边界拓展至4 μm以上、平均功率20.6 W、光谱覆盖范围1.92~4.92 μm的中红外超连续谱。2023年，本文课题组采用低重频2 μm类噪声脉冲种子[27]，经过MOPA结构放大后泵浦ZBLAN光纤，实现了平均功率33.1 W、光谱范围1.9~3.68 μm的超连续谱，转换效率为75.06 %（实验结构和光谱见图6）。
InF3光纤对比ZBLAN光纤，前者有更优异的长波透射性能和更高的物理稳定性，是兼具高功率输出和波长拓展的关键介质。2018年，加拿大国防研究中心的Théberge等[66]报道了平均功率1 W、波长覆盖范围1~5 μm的InF3光纤超连续谱。2020年，本文课题组[67]进一步提升其功率，报道了11.8 W、光谱覆盖1.9~4.9 μm 的InF3光纤超连续谱。2022年，深圳大学郭春雨团队[68]采用低重频2 μm类噪声脉冲泵浦InF3光纤，实现了输出功率1.45 W、波长范围1.5~4.1 μm的超连续谱。
2023年吉林大学焦亚东等[30]首次报道了50 W量级中红外超连续谱激光，这也是目前中红外超连续谱的最高输出功率纪录。产生超连续谱的非线性介质是吉林大学自行拉制的氟碲酸盐光纤，纤芯和包层材料分别为70TeO2-20BaF2-10Y2O3（70TBY）和65TeO2-25BaF2-10Y2O3（65TBY），纤芯直径为14 μm，包层直径为220 μm，零色散波长位于1 994 nm。图7（a）是实验的装置图，2 μm 拉曼孤子经过掺铥光纤放大器（thulium-doped fiber amplifier，TDFA）放大后泵浦 48 cm长的氟碲酸盐光纤。图7（b）给出了输出功率与TDFA泵浦功率的关系，当TDFA的最大泵浦功率为73.35 W时，获得了最大的输出功率50.22 W，20 dB带宽为1 404~3 228 nm。由于采用了较短的非线性光纤（仅48 cm）以降低传输损耗，非线性效应积累不足，长波展宽受限，因此其长波边界较此前30 W量级的超连续谱更短。
Fig.7Generation of supercontinuum based on fluorotellurite fiber with an average output power of 50.22 W [30]
2025年，北京工业大学李平雪团队[28]采用拉锥技术对大模场TBY光纤进行设计，增大非线性的同时优化光纤色散曲线，这种设计促进了拉曼孤子的“接力裂变”和快速频移，极大拓宽了光谱展宽，最高平均功率可达10.5 W，此时光谱长波边界达到了5.1 μm，10 dB带宽的长波边界为4.64 μm。这一工作为4~5 μm波段的波长拓展和功率提升提供了重要参考。
综合上述报道，氟化物光纤已经实现30 W量级的平均功率，但是氟化物光纤容易潮解的特性，使得基于氟化物光纤的高功率超连续谱的系统长期稳定性受限。相比之下，碲酸盐光纤的抗潮解能力更强、转变温度更高，是极具潜力的中红外超连续谱产生介质，已经实现了50 W量级的超连续谱输出。同时，基于TBY的中红外超连续谱的长波占比较少、光谱平坦度不够，可以通过拉锥的方式来优化非线性动力学过程，拓展光谱平坦度和光谱范围。
2 超连续谱的长波拓展
在中红外波段，3~5 μm和8~12 μm波段是两个重要的大气传输窗口，众多官能团在这两个波段有吸收，形成了“分子指纹区”。然而，在中红外光纤材料中，仅硫系光纤能够低损耗传输5 μm以上的光波，因而成为中红外长波拓展研究的主流选择[69]。
目前，有阶跃折射率的As2S3光纤和As2Se3光纤已经实现了商用化（如 art photonics、IRflex公司），基于这两种光纤产生的超连续谱长波边界分别可达13 μm和15.5 μm[70-71]。然而，受限于较低的激光损伤阈值，其端面在高峰值功率泵浦下易发生损伤，系统的长期可靠性难以保证。
为了提升光纤的激光损伤阈值，使其能够承受更高峰值功率的泵浦光，从而促进光谱展宽并增强系统长期运行的稳定性，调控硫系玻璃材料的组分是一种关键策略。研究表明，在不同基质的硫系玻璃中引入锗（Ge）元素可显著强化其网络结构，形成更稳定的连接，进而提高材料的激光损伤阈值。例如，宁波大学戴世勋课题组系统研究了在硒（Se）基和碲（Te）基硫系玻璃中掺杂锗的影响，证实该策略在两类体系中均能有效提升损伤阈值[72-74]。此外，江苏师范大学杨志勇课题组于2021年报道了一种具有高激光损伤阈值的掺锗硫（S）基玻璃[75]。
基于上述的研究，研究人员进一步聚焦于低损耗掺锗硫系玻璃的研究，旨在降低长波的多声子吸收损耗，从而为实现更宽光谱、更高功率的超连续谱输出提供材料支撑。2020年，宁波大学王训四课题组[76]提出了双层剥离式挤出工艺，制备了低损耗Ge-As-Se玻璃和光纤，光纤的损耗普遍低于1 dB/m，在6.3 μm处损耗最低，仅为0.2 dB/m。利用制备的光纤，实现了1.4~13.7 μm的平坦中红外超连续谱，10 dB带宽为3.3~12.2 μm。2021年，勃艮第大学的Lemière 等[18]制备了Ge-Se-Te阶跃折射率光纤，形成预制棒前的多次提纯，有效地减少了氢键和氧键的非本征吸收损耗。采用波长8.15 μm、峰值功率200 kW的激光泵浦44 mm的光纤，实现了1.7~18 μm的输出，是目前硫系光纤最宽的超连续谱光谱范围。2024年，宁波大学戴世勋课题组[77]提出在多级动态蒸馏工艺中引入微米级过滤器，去除金属杂质颗粒，制备了低损耗AsSe/GeAsSe光纤，在10.6 μm波长下，该光纤可承受7.2 W的入射CO2激光功率，输出功率密度高达（2.33±0.02）kW/cm2。2025年，俄罗斯科学院Velmuzhov等[78]研究了（GeTey）100-x（AgI）x 玻璃体系，在10.6 μm处实现了（0.79 ± 0.04）dB/m的损耗，这是基于全反射工作原理的光纤在该波长处的最低损耗。
限制超连续谱长波拓展的因素，一个是光纤材料的性能，另一个是泵浦波长与光纤零色散点的不匹配，在零色散波长（zero-dispersion wavelength，ZDW）附近泵浦才能得到最大的光谱展宽，但是硫系阶跃光纤的零色散点一般大于5 μm。为了实现有效的光谱展宽，研究人员提出了氟化物-硫系光纤级联泵浦的方式，氟化物光纤先将泵浦激光的波长拓展到4~5 μm，再将输出耦合到硫系光纤中，进一步实现波长拓展。2020年，本文课题组报道了InF3级联As2Se3光纤[79]，实现了2.3~9.5 μm的超连续谱，这是级联方案的最宽光谱。2021年，宁波大学严斌等[80]采用ZBLAN级联As2S3光纤，在2 μm泵浦下实现了平均功率大于1 W、光谱覆盖2~6.5 μm的超连续谱输出。
除了级联泵浦，另一种方案是通过微结构或者拉锥的方式，改变ZDW位置，使其向短波方向移动。2018年，宁波大学王训四课题组[81]首次采用复合挤压法制备了四孔结构的碲基悬浮芯光纤，ZDW为4.9 μm，采用5 μm 光学参量放大器（optical parametric amplifier，OPA）泵浦获得光谱覆盖范围1.7~11.3 μm的超连续谱。2020年，孟加拉国陆军科技大学的Islam等[82]首次报道了以AsSe2为背景材料设计三孔悬芯光纤，纤芯的三个连接处用氯仿（CHCL）填充，光纤ZDW为2.5 μm，采用泵浦波长2.64 μm、脉冲宽度50 fs、峰值功率10 kW的光源泵浦，产生了1~14 μm的超连续谱，这是在硫系悬芯光纤中获得的最宽光谱。相比之下，光纤拉锥对色散的调控不需要设计复杂的光纤结构，更容易实现。2019年日本丰田技术研究所Sain等[83]将 AsSe2/ As2S5阶跃光纤的纤芯直径从15 μm拉锥到3 μm，ZDW从5.19 μm减小到了3.02 μm。采用波长3.5 μm、脉宽200 fs的激光泵浦4 cm长的锥形光纤，输出光谱范围为1.5~14.5 μm。该报道体现了拉锥对色散的有效调控。但拉锥的过程容易造成光纤的损伤，同时拉锥区域的机械强度也会降低。
综上所述，超连续谱的长波拓展是基于硫系光纤开展的，材料的优化围绕提高损伤阈值、降低光纤损耗展开，这对于超连续谱的波长拓展、传输以及稳定性提升非常重要；氟化物硫系光纤级联方案、微结构光纤和拉锥光纤方案，则提供了灵活的色散调控能力，使用更短波长泵浦、更简单光源泵浦产生宽带超连续谱成为可能。上述的方案，已经能够实现波长边界达10 μm及以上的超连续谱输出。
3 超连续谱的低噪声研究
超连续谱凭借其独特的宽谱特性，在光频梳、生物医学光子学等领域展现出重要的应用前景。然而在光学相干层析成像[17]、非线性脉冲压缩[1，84]等噪声敏感的应用中，基于光纤的超连续谱产生受限于噪声特性，难以满足实际需求。
在超连续谱光源中，主要采用RIN作为核心的评价指标。RIN是指光脉冲序列平均功率在一定时间跨度内的波动，表征了光脉冲序列平均功率的稳定性，定义为：
(1)
式中，〈ΔP（t）2〉T和〈P（t）〉T分别表示在测量时间T内光功率均方波动和脉冲序列的平均光功率。RIN在频域上用功率谱密度（power spectral density，PSD）表示，PSD表示每Hz带宽内的噪声功率，单位是dB/Hz；将PSD在频域范围内积分（一般为1 kHz~1 MHz）再开方，得到积分均方根RIN，通常用百分比表示，以量化总强度波动水平[85]。
超连续谱源的噪声主要来源于泵浦噪声、非线性效应引起的噪声放大以及量子极限下的散粒噪声，其中散粒噪声代表了系统理论上的噪声极限。由于超连续谱的产生依赖于强非线性过程，泵浦脉冲中强度噪声会在光谱展宽过程中被显著放大，因此，低噪声泵浦源是实现低噪声超连续谱的前提。目前，飞秒锁模激光器因其本征 RIN 极低（通常≤0.1%）而成为主流泵浦选择[85]。在此基础上，低噪声超连续谱产生的典型方案是飞秒脉冲泵浦全正色散[1]（all-normal-dispersion，ANDi）光纤。在ANDi光纤中，光谱展宽主要由相干的SPM和OWB主导，由噪声引发的MI及其导致的孤子分裂和SSFS等过程被抑制，避免了对泵浦源噪声的进一步放大，尽管如此，FWM和SRS带来的噪声仍然无法通过正常色散区的选择来避免。因此，低噪声超连续谱光源的噪声极限通常受限于泵浦源噪声和散粒噪声，通过优化非线性动力学路径和光纤参数，可使光谱展宽由相干的SPM和OWB过程主导，从而将输出超连续谱的RIN降至接近泵浦源的噪声水平。
2017年伯尔尼大学的Heidt等[86]发现飞秒脉冲泵浦ANDi 光纤时，FWM/SRS的耦合过程会导致噪声放大增益的饱和，从而抑制噪声的进一步放大，提升相干性。同时还指出，FWM/SRS的耦合强度与光纤色散的大小相关，选用色散低且色散曲线平坦的光纤，将有利于宽带高相干超连续谱的产生。除此之外，一些研究还发现ANDi光纤对于抵抗泵浦源强度波动带来的噪声有着良好的表现[87]。
要想进一步实现低噪声超连续谱，需要额外考虑偏振调制不稳定性（polarization modulation instability，PMI）的作用，PMI具有矢量性质，在光纤的正常和反常色散区均可以产生[13]。2020年Heidt等提出了2 μm超连续谱全光纤放大器实验结构[88]，实验中发现噪声的测量结果严重依赖于泵浦光的偏振态。为了抑制PMI，将实验系统中的光纤全部替换为保偏光纤，并将泵浦激光的偏振态对准保偏ANDi的主轴方向，得到了与泵浦脉冲接近的RIN，验证了保偏光纤对于PMI的抑制作用。
2022年，Heidt课题组提出了高阶孤子压缩级联OWB的全保偏近红外低噪声SC[89]，实验采用90 fs、40 MHz的1 560 nm超短脉冲泵浦待测光纤，待测光纤是PM1550-XP光纤熔接了PM2000D光纤的混合光纤，两款光纤均为保偏光纤。1 560nm的泵浦波长位于PM1550-XP的反常色散区，而PM2000D在整个1~2 μm波段均位于正常色散区。超短脉冲首先被泵浦到长度为6.2 cm的PM1550-XP，在SPM和负色散的作用下高阶孤子被压缩到15.9 fs，脉冲再入射到正常色散的PM2000D光纤中产生超连续谱。压缩后的脉冲宽度变窄，峰值功率提升， OWB过程的特征作用长度从1.7 cm减小到0.1 cm，而PMI和SRS等过程的特征长度远大于0.1 cm，使用短的PM2000D，PMI和SRS等过程被抑制。图8（a）和图8（b）分别是直接泵浦PM2000D光纤和泵浦混合光纤的光谱和RIN测量结果。泵浦混合光纤后获得了显著的光谱展宽，同时还能保持接近泵浦源的RIN值。结果表明了级联高阶孤子压缩和OWB的优势，同时该方法具有普适性，可拓展到其他波段的超连续谱产生中。
上面介绍的低噪声的超连续谱产生均是在正常色散泵浦实现光谱展宽。2023年丹麦技术大学的Bang的课题组[90]，提出了一种在反常色散区泵浦产生超连续谱的噪声抑制机制。将反常色散光纤输出的孤子群耦合到一段正常色散光纤中，在正常色散光纤中单个孤子光谱展宽，孤子群光谱发生重叠，从而有效降低噪声。这一想法在中红外超连续谱的产生中进行了研究与验证[90]，实验结构如图9（a）所示。泵浦源的波长大于2 000 nm，脉冲宽度为500 ps，脉冲耦合到ZBLAN光纤，在MI和SSFS的作用下波长向长波拓展。然后将ZBLAN光纤的输出耦合到正常色散的As-S光纤（ZDW @ 6.17 μm）中。图9（b）仿真了As-S光纤中的动力学过程，可以看到，ZBLAN输出耦合到As-S光纤中的是孤子群，单个孤子的光谱宽度窄，孤子间光谱重叠少，在As-S光纤中传播0.1 m后，单个孤子光谱展宽，孤子间光谱有较大重叠，起到了对噪声的平均作用，继续传播至0.2 m，光谱变化较小，说明平均作用主要发生在前0.1 m。图9（c）展示了实验测量的相对强度噪声，黑色和红色曲线分别为仅使用ZBLAN光纤时和级联As-S光纤后的噪声水平。对比可见，级联As-S光纤后，2 800 nm~3 500 nm波段内的噪声水平明显低于仅有ZBLAN光纤，尽管在更长波段，光谱功率密度下降导致噪声有所提高，但是级联As-S光纤仍然能维持更低的噪声水平。
综上所述，目前对低噪声的超连续谱激光的研究，从飞秒脉冲泵浦全正色散光纤的技术路线不断发展。在光纤类型全面和光纤拉制技术成熟的近红外波段，基于保偏光纤的超连续谱激光在噪声特性上优于非保偏光纤，通过进一步级联高阶孤子压缩和光波破碎的非线性过程，可以将噪声特性提升到接近飞秒脉冲泵浦源的噪声特性。除了正常色散区泵浦，研究人员也开展了反常色散区泵浦的低噪声超连续谱研究，发现在超连续谱输出前将其耦合到一小段正常色散光纤中，孤子群光谱展宽带来的光谱重叠可以极大地降低噪声水平，并在中红外超连续谱产生中进行了验证。
4 总结与展望
近年来，基于光纤的超连续谱激光研究取得了很大的进展，其在功率、谱宽、噪声等核心指标上的突破，极大地拓展了其在精密测量、生物医学成像、光谱学和工业加工等领域的应用前景。
在功率提升方面，对于可见光至近红外波段的超连续谱激光，基于MOPA结构的超连续谱已经能够实现百瓦至千瓦量级的输出功率，基于随机光纤激光器结构更是实现了3 kW的输出功率；GRIN MMF和长锥形光纤具有特殊的时空非线性效应，可以兼具高功率和高光束质量，已经实现了200 W量级的输出功率，同时有着良好的光束质量。随着进一步优化光纤的参数以及泵浦源，相信有望实现更高的输出功率、更好的光束质量。对于中红外超连续谱光纤激光，虽然受限于光纤材料本身，目前公开报道的中红外超连续谱功率在30~50 W，但相信随着泵浦参数以及光纤组分的进一步优化，有望实现近百瓦量级的中红外超连续谱。
在长波拓展方面，研究重点已从传统的石英光纤转向具有更宽透明窗口的特种材料。硫系光纤因其中远红外的优异透过性，成为研究热点。通过优化光纤材料、改进拉制工艺以及对光纤的特殊结构设计，已经能够实现波长大于10 μm的光纤超连续谱，长波边界最长已经拓展到18 μm，为实现整个“分子指纹区”覆盖的超连续谱奠定了基础。
在低噪声方面，基于负色散光纤级联正色散光纤的方案被提出。但是由于泵浦条件的不同以及光纤中主导的非线性效应不同，对噪声抑制的原理并不一样，分别实现了时域上单个脉冲和孤子群脉冲的噪声抑制。
这些研究成果为光纤超连续谱朝着更高功率、更宽光谱以及更低噪声持续发展奠定了重要基础。要实现进一步突破，第一是需要不断推动光纤材料的创新，开发和拉制具备高非线性系数、低传输损耗、理化性质优良的光纤[29]，这对提升超连续谱功率、提升光束质量、拓展光谱范围具有重要意义。第二是发展先进的光纤处理工艺，特别是针对中红外软玻璃光纤，需突破石英与软玻璃光纤的非对称熔接、光纤的精准拉锥等工艺[28，91]。这些工艺是实现全光纤化集成、提升系统长期稳定性的核心保障。第三是推动非线性理论研究与机器学习等深度融合[92-93]，实现对光谱形状、宽度、平坦度的精确预测与自主优化，从而使按需定制的“智能”宽谱光源，灵活适配光学相干层析成像、光谱成像等多样化应用场景，甚至利用光纤的非线性过程进行光计算[11]。相信随着以上技术的持续突破与创新发展，超连续谱有望成为兼具紧凑性、高稳定性、高功能性的宽谱光源，在科学研究、医疗健康、国防安全等领域发挥重要作用。
