丹麦技术大学“烘烤”光纤让超低噪声超连续谱激光范围近乎翻倍

丹麦技术大学（DTU）Electro 的一组研究人员在超低噪声超连续谱激光器方面取得突破，其光谱范围几乎是同类低噪声系统的两倍。

该团队的进展很可能会提升医学成像、气体传感和光谱学的速度与灵敏度——即所有探测微弱光信号的应用。

“几十年来，我们团队一直是超连续谱激光器领域的世界领先者，这源于我们对具有现实世界影响力的应用的追求，”DTU Electro 博士后研究员 Andrea Arduin 说，“这项工作是一个名为 Tabletop Synchrotron 的大型项目的一部分。我们希望利用光纤和超连续谱在尽可能宽的光谱范围内产生光——模拟同步辐射装置。”

光纤通常由两根折射率略有不同的玻璃圆柱体组成，其中内层是纤芯，它引导光的方式就像管道输送水一样。“通常，光穿过材料时不会发生变化——不会产生新的颜色，”Arduin 说，“想想棱镜，白光在其中被分解成彩虹般的各色成分。”

但当光极强时，可以通过非线性效应在材料内部产生新的成分。光纤是实现这一点的绝佳工具，“因为它能将光高度聚焦在一个很小的区域（其纤芯）内，长度可达数千米，”他说，“它让我们能够产生许多新的颜色，尽管其中一些可能对肉眼不可见。超连续谱是一种覆盖宽广且连续波长范围的光源。”

加热光纤以调节色散

它是如何工作的？“不同颜色的光通过色散在光纤中传播，”Arduin 说，“色散是一种决定超连续谱如何产生的特性，基本上有两种选择：范围大但噪声高且不稳定的波长，或范围较小但稳定可靠的波长。我们的方法通过将光纤暴露在高温下近一小时来‘烹制’光纤，这使我们能够完全改变一小段光纤的色散。”

研究人员将稳定可靠的超连续谱光源类别的波长范围扩大了一倍。“我们的超连续谱在其类别中覆盖的波长范围最广——它兼具两者之长，因为既覆盖了宽广的波长范围，又稳定可靠，”Arduin 说。

就目前而言，该团队的光源已经可以投入使用。“主要限制之一是二氧化硅玻璃的损耗，因此转向其他类型的玻璃会很有意义，比如氟化物或硫系光纤——但这将充满挑战，”他说。

这一进展的意义何在？现在可以通过加热来改变一小段光纤的性质。“以前，将光纤尺寸拉细是唯一的选择，”Arduin 说，“‘烹制’光纤做的是相反的过程，因为它使纤芯变大，这通常是不可能的。我们已经用这项技术改进了超连续谱的产生，但现在我很好奇，看看是否有人会为它想出另一种应用。”

最令人惊讶的时刻？“肯定是我第一次看到它奏效的时候——但我们从仿真中就知道它应该会起作用，”Arduin 说，“我给 Ole 发了一封邮件，主题是：初步的 Eureka！这种热处理效应一直被忽视，尽管该技术已被用于其他目的，所以看到它在实验室里奏效真是太棒了。”

更低噪声解锁更多应用

Arduin 指出，高噪声超连续谱光源的所有应用都能从更低的噪声中获益，只是受益程度有所不同。他解释说：“我们课题组正在开展的研究方向之一是光学相干断层扫描（基于光的超声），降低光源噪声将使我们能够降低图像噪声。”“我们此前合作中的另一个例子是通过光谱学检测痕量气体。痕量气体的信号很弱，如果光源噪声大，这类测量可能要花上几个小时才能完成。我们的新光源在这类应用中表现好得多。”

下一步是什么？中红外，因为“低噪声超连续谱光源可以解锁许多新应用，所以我们目前正在研发几种不同的系统，”Arduin 说。

延伸阅读

A. Arduin, S. Rao D. S., A. B. Skov, and O. Bang, Optica, 13, 6, 1098–1103 (2026); https://doi.org/10.1364/optica.595939.