用纳秒激光脉冲产生相干连续谱白光辐射的方法

如前所述，采用时间宽度小于几个皮秒的超短高功率激光脉冲，可以很容易在诸多透明光学介质（以重水、石英玻璃等为代表）中产生高亮度的相干连续谱白光辐射。在特殊的实验条件下，即使采用脉宽较长的纳秒激光脉冲进行激励，亦可在某些透明介质内产生超加宽连续谱输出。

事实上，早在激光技术发展的初期，人们已发现到强激光脉冲通过非线性介质时的光谱加宽行为，与入射光脉冲的光谱结构有很明显的关系。这表现在当纳秒激光具有多纵模结构（亦即多分立光谱组分）时，比只具单纵模结构（亦即单光谱组分）更容易在非线性介质中产生光谱自加宽效应［26，44］。另外，人们也发现，采用具有较宽光谱带的纳秒脉冲入射到单模光纤样品，也可产生超加宽的连续谱相干光输出［45，46］。测量表明，此情况下的超加宽连续谱主要分布在入射光谱的低频一侧，并被解释为由级联受激拉曼散射和拉曼增强的相位调制等过程所形成［47～50］。

后来由作者所做专门实验进一步表明，利用具有宽带和分立光谱结构的纳秒脉冲入射到多种透明光学介质，可有效产生相干连续谱白光辐射，并且其产生的主要物理机制，可归结为由不同分立光谱成分间拍频效应增强的相位自调制。为证实这种论断，实验中采用了具有相同6 ns脉宽但却具有不同光谱结构的脉冲激光进行比较，两种脉冲的中心波长均位于810～820 nm区域，分别出自同一台以532 nm激光泵浦的可调谐染料激光器，其共振腔是由一反射光栅作后腔镜，而以另一个部分反射镜作输出耦合镜所组成。

当该染料激光器工作在正常的全腔振荡状态时，其输出光谱为如图6-20（a）所示的单根谱线组成，线宽为Δλ≤0.32 nm。当激光共振腔的后腔镜被一纸卡片遮挡（相当于半腔振荡）时的激光光谱输出如图6-20（b）所示，此时有多条分立的光谱组分分布在16 nm的光谱范围内，这些相邻分立光谱组分的间隔为2～5 nm，它们之间产生拍频的频率范围为30～75 cm-1。

图6-20　染料激光器的6 ns输出脉冲的光谱结构

（a）出自全腔振荡；（b）出自一个半腔振荡（光谱分辨0.32 nm，增益介质是浓度为2.4×10-4 M/L的LDS821染料溶液）

以上述两种具不同光谱结构的纳秒脉冲，入射到一系列透明介质样品中进行比较，这些样品包括光学玻璃（BK-7）、有机玻璃（PMMA）、二甲亚砜（DMSO）、己烷、重水、水、丙酮、苄醇、苯、二硫化碳等。实验观察结果表明，只有在宽谱带脉冲入射条件下，才能在其中某些样品中产生有效的相干连续谱白光辐射。在所比较过的样品中，二甲亚砜、己烷、PMMA、和BK-7玻璃在宽谱带脉冲作用下可产生较强的连续谱白光辐射；然而在同样条件下，苄醇、苯和二硫化碳则不能产生可观察到的连续谱白光辐射。采用如图6-16所示装置做的测量表明，在有连续谱白光辐射输出情况下，只有轴向成分的贡献，而不存在非轴向成分的贡献，这说明此情况下按相位匹配条件产生的四光子参量作用可以忽略。(www.xing528.com)

图6-21　在脉宽为6 ns并具如图6-20（b）所示宽带光谱结构的脉冲作用下，在一个4 cm长己烷（C6 H14）液盒产生的轴向相干发射连续光谱［（a），（b），（c）对应三种不同的入射脉冲能量］

图6-21为以三种不同能量宽谱带入射脉冲，经焦距为20 cm透镜聚焦入射到4 cm长己烷液盒后，输出相干白光辐射光谱分布曲线。这些结果是借助一个与光栅光谱仪联用的CCD阵列探测器测得的；为保证CCD探测器具有最大限度的线性反应范围和避免透射泵浦光饱和曝光的影响，使用一个红外截止滤光片去除波长800 nm以上的光谱成分。对于1mJ的入射脉冲能量来说，介质内焦点区附近光强为530 MW/cm2。

由图6-21（a），（b）可看出，当入射脉冲能量≥1mJ时，在入射光谱短波（反斯托克斯）方向上的光谱加宽覆盖了整个可见光谱区，而光谱强度分布呈现出沿短波方向单调下降的趋势。在光谱分辨能力为0.32 nm条件下，未观察到光谱分布的周期调制结构。根据不存在非轴向辐射成分以及入射脉冲包络宽度为纳秒量级两个事实，基本可推断此情况下观察到的相干连续谱白光辐射，是由入射脉冲中不同光谱组分间相互拍频并形成光强随时间变化的高频调制效应所造成的。将图6-21中的实验曲线与图6-15中的理论曲线相比较，可看出两者之间的差别是，实验曲线中未呈现出只有两强度相同光谱组分参与拍频时预计的准周期性调制结构。考虑到实际入射光谱中包含了多个间隔和强度并不相等的分立组分，它们之间相互作用的混合结果，会导致总输出光谱分布的平滑化以及调制结构的消失。

图6-22　在脉宽为6 ns并具如图6-20（a）所示窄带光谱结构的脉冲作用下，在一个4 cm长己烷（C6 H14）液盒产生的轴向相干发射连续光谱［（a）与（b）对应两种不同的入射脉冲能量］

最后，图6-22显示了当入射脉冲只含有如图6-20（a）所示单谱线成分时，经过同样4 cm长己烷液盒后，输出相干辐射光谱分布曲线。将该图与图6-21相比可看出，在相同的入射脉冲能量下，此时在可见光谱区的辐射光强水平，与宽谱带入射情况相比，至少要低一个数量级。这是因为此情况下，不存在明显由拍频调制增强的光谱加宽效应。