硫系光纤，成就最具吸引力的中红外超连续谱光源
位于人眼视觉之外的宽谱红外波段，以其特有的军事意义和民用价值，一直是各国科研机构的研究热点。例如，中红外波段（2-16 μm，如图1所示）覆盖了绝大部分有机物和无机物的分子特征吸收“指纹”区，且覆盖了3-5 μm和8-14 μm这两个最重要的大气窗口，在分子光谱学、大气监测、生物医疗及军事遥感等诸多领域具有广泛的潜在应用。但该领域的开发发展需要依赖于一种宽光谱、高质量的中红外激光光源。普通激光具有高相干、高亮度的特点，但为窄频谱输出；而利用激光在非线性光纤中产生的超连续谱（SC）光源以其高相干性、高亮度和极宽谱输出等特点，日益成为红外波段最具吸引力的光源。
图1 2-16 μm覆盖了许多重要分子的“指纹”区
超连续谱（SC）光源主体的组成要素
SC的产生是指窄脉冲入射到非线性光纤后，受光纤中的各种三阶非线性和色散的共同作用下使得出射脉冲频谱得到极大展宽的现象。中红外SC光源主体由抽运源激光和中红外非线性光纤组成。
在抽运源方面，通常使用超短脉冲的近红外光纤激光器或中红外光参量振荡器（OPO）或放大器（OPA）。其中1.5/2 μm的近红外光纤激光器已经相对非常成熟，市场上已有各种参数的高功率激光器可供选择；而空间光耦合的OPO/OPA体积庞大且平均功率低，产生的SC实用性有限。
在非线性光纤方面，需要满足中红外高透过、高非线性和高激光损伤阈值等特点。常见的红外非线性光纤包括石英、重金属碲酸盐、氟化物和硫系玻璃光纤，光纤的基质材料损耗曲线如图2所示。石英光纤具有损耗低和原材料优势，但非线性极低且受限于材料的本征多声子吸收无法产生2.5 μm以上SC，碲酸盐和氟化物则基本局限于5 μm以内的中红外SC。
图2 常见中红外光纤的材料损耗曲线
硫系玻璃是VIA主族元素（S、Se、Te）和一些其它元素组合而成的非氧化物玻璃，其红外透光波长可达20 μm以上，且具有极高的非线性折射率（比石英高2-3个数量级。硫系光纤是唯一一种可覆盖近、中、远红外透过的非线性材料，可满足全红外波谱（10 μm以上）SC输出。
硫系光纤本身具有极高的材料非线性性能，一般采用中红外OPA激光器研究了硫系光纤的中红外SC谱输出性能，表1罗列了部分硫系光纤的中红外SC谱输出性能。其中相对较好的方案是采用ZBLAN/As2S3/As2Se3光纤级联抽运：利用光纤激光器输出的高功率脉冲在ZBLAN光纤中产生展宽至4.5 μm的SC谱，该宽谱脉冲在As2S3光纤进行接力展宽至6.5 μm，最后在As2Se3中进行接力继续展宽至11.4 μm。该方案的优势在于可克服4 μm处的S-H、4.5 μm处的Se-H吸收峰影响，同时又避免了As2Se3光纤较低的抗激光损伤性能劣势，但是多级光纤间的级联处理要求极高且引入了额外的连接损耗，导致输出功率也限制在百毫瓦附近。
表1 硫系光纤的中红外SC谱输出性能（部分）
硫系光纤的色散调控方式
传统硫系玻璃的材料，色散零点波长（ZDW）普遍位于中长波红外区域，如典型的As2S3大于4.5 μm，As2Se3大于7 μm，通常需采用中红外OPO/OPA抽运以获得超宽SC谱输出。为了实现光纤激光器的有效抽运，可采用繁杂的氟化物过渡配合多种硫系光纤，进行多种光纤的级联抽运，或者直接对硫系光纤的色散及ZDW进行调控。
光纤的ZDW色散调节可通过波导色散调控（如微结构设计或波导尺寸的亚波长化）或者材料色散直接调节（玻璃组分优化）来实现。
波导色散调控方式
典型的波导色散调控方式采用光子晶体光纤（PCF）结构设计，利用多层空气孔径及孔距调节的自由度，来实现ZDW蓝移和色散的调控设计。但是由于硫系玻璃的机械强度低且抗析晶能力差，多层空气孔结构的硫系PCF制备存在极大的挑战和难度——硫系PCF易于设计但难于制备。常用的堆积法很难实现高质量硫系PCF制备，2011年法国科研人员采用了浇筑法成功获得了3层空气孔分布的硫系PCF-目前仅有的多层空气孔结构的硫系PCF。
此外为了提高硫系光纤的结构非线性系数，人们设计了单层空气孔分布的悬吊芯硫系PCF，并采用钻孔法和挤压法分布获得了3孔/4孔分布的悬吊芯硫系PCF，如图3所示。其中，基于As2S3玻璃的单层悬吊芯光纤的非线性系数高达2750W-1km-1@1.55 μm，而基于GeAsSeTe玻璃的单层悬吊芯光纤的非线性系数高达3983 W-1 km-1@5 μm。
图3 硫系PCF：(左)3层空气孔PCF，(中/右)3孔/4孔悬吊芯
波导色散调节的另外一种方法是将光纤进行拉锥化处理，通过纤芯尺寸的亚波长化以实现ZDW蓝移并提高光纤的结构非线性，但普通阶跃型光纤拉锥所付出的代价是激光传输功率的降低和纤芯模场能量的损失。
多包层结构设计也可实现光纤的波导色散调控功能，尤其是超平坦色散曲线的设计与实现，低色散值的平坦色散曲线更有利于超平坦SC谱的产生。相比于空气孔PCF结构，多包层阶跃型硫系光纤的制备难度较低更易于实现，国内外已有多个基于多包层结构的阶跃型硫系光纤的报道。
材料色散调节
光纤的色散调节的另一途径是材料色散调节。通过在传统的硫系玻璃体系中引入大量低色散修饰体以降低玻璃的整体色散实现ZDW蓝移。研究表明，引入大量的低折射率卤化物/卤素可有效降低硫系玻璃的ZDW，如在GeGaSe中引入40%摩尔百分含量的CsI可将玻璃的ZDW蓝移至3.5 μm处，在GeAsSe中引入30%摩尔百分含量的I可将ZDW从7.3 μm蓝移至4.3 μm处。尽管硫卤玻璃光纤面临着许多艰难险阻——吸潮性、元素易挥发、纯化难度高等等，但是材料色散的直接调节是最根本的色散调节方法。
中红外非线性光纤的发展前景
当前硫系光纤的SC谱输出谱宽已经达到了史无前例的2-16 μm，但这些极宽SC谱的输出功率太低且平坦性差，还需进一步研究如何提高中红外超宽SC谱的功率输出和平坦性以增加其实用性。
为了提高功率输出，必须寻求高功率抽运源，现有成熟的大功率光纤激光器的峰值功率较低，其对非线性光纤的传输损耗、激光抗损伤性能要求较高。现有硫系光纤的传输损耗和激光抗损伤性能尚未能满足其性能要求，其玻璃的制备工艺还有待优化和突破，同时硫系玻璃的抗激光损伤性能及损伤机理也还有待研究探明。在SC谱的平坦性性能方面，需要对光纤的色散分布进行优化设计，以实现低色散值的超平坦色散曲线分布。因此硫系光纤的色散调控目标为低ZDW、低色散值且平坦型色散分布。
总的来说，理想的中红外非线性光纤基质材料应具备如下特性：
低材料色散值和高非线性的统一
宽红外透过窗口和高激光抗损伤阈值的统一
热稳定性好不析晶
原料成本低且易于纯化
硫系玻璃的魅力在于红外波段独有的高非线性和宽红外透过性能。因此硫系光纤面临着如何降低传输损耗、降低ZDW、实现低色散值和平坦色散分布以及提高激光抗损伤性能等诸多挑战。
中红外SC谱正朝着超宽谱、超平坦、高功率的方向发展，进一步缩小高功率抽运源和硫系光纤两者之间的性能差距——这一任务十分艰巨，其面临着高功率中红外激光器的短缺和高性能低ZDW硫系光纤的短缺。好消息是中红外激光已经实现了3.92 μm（~200 mW）的单波长输出（Optica, 5:761, 2018）和谱宽1-3.9 μm/10.4 W的中红外SC谱光源（Optica, 5:1264, 2018）。尽管当前效率很低（10%）或者平坦性差，但是这些中红外光源已经非常临近硫系光纤的ZDW区域。
因此，随着中红外激光器的发展和进步，以及高性能硫系光纤的色散优化和传输损耗的进一步降低，超宽谱、超平坦、大功率的高性能中红外SC谱光源即将到来。
作者简介：
王训四，研究员，宁波大学高等技术研究院，致力于红外特种光纤研究
赵浙明，副教授，嘉兴学院南湖学院，致力于硫系光纤的超连续谱研究