1969年，Robert Alfano和Stanley Shapiro发明了一种新的激光。这种激光是光场通过材料经历巨大光谱展宽后的结果，因其跨越大部分可见光谱，故得名超连续。如今，超连续光源已能跨一个甚至多个倍频程，而可见光范围约为一个倍频程，因此超连续意味着白色激光成为现实。

两人发现绿激光的高强皮秒脉冲和特殊晶体或玻璃相互作用时会被显著展宽，由此观察到白光的产生。随后，研究人员使用液体和气体也产生了超连续光，并进入红外范围。

早期的超连续产生实验装置

红光脉冲通过液体池后展宽变成白光

来源：科学美国人2006年12月刊(Alfano文章)

1999年，光子晶体光纤为超连续领域带来了革命性的突破，尽管早在1978年就有通过光纤产生超连续的报导。光纤不仅能把光约束在细微的纤芯中，长距离维持高光强，而且还能通过色散工程优化非线性光孤子，产生超大光带宽。从此，超连续实验装置开始从复杂变得简单，商用化产品不断涌现。

光纤超连续激光彩虹

John Dudley & Gory Genty的文章

非线性和超快

尽管实验装置简单，但是超连续产生的物理过程非常复杂。一般而言，激光功率越高，诱导的材料非线性极化越强，超连续谱的带宽越大，所以皮秒和飞秒激光因为具有高峰值功率常被用作种子源。下面三图比较了不同功率的飞秒激光通过Thorlabs高非线性光纤展宽的模拟结果。因为高非线性光纤的模场较小，所以熔接过程更为复杂，Thorlabs提供专业光纤熔接服务，如有此类需求欢迎联系我们。

谐波产生等常见的非线性光学效应是一个波长到另一个波长的离散转换，但超连续则是将原本较宽的光谱连续变得更宽，这是孤子分裂、色散波和孤子自频移共同作用的结果。

材料的线性光学性质由折射率确定。宽带光脉冲通过材料时具有不同的折射率，由于这种色散，脉冲中不同波长的光分量通过光纤的速度不同，其时间脉冲包络被展宽，但是频谱不变。

色散：时间包络展宽，频谱保持不变

来源：Gory Genty教授PPT，下同

另外，超短光脉冲由于高峰值功率可使材料的折射率产生微小变化，变化量和强度相关。材料折射率的非线性变化反过来使光脉冲的振荡模式产生相位差，这个过程叫做自相位调制。光强相关的折射率用下式表示，其中n2为非线性系数。

对于前半个脉冲，强度和折射率随时间增加，波速越来越慢，频率减小。对于后半个脉冲，强度和折射率随时间减小，波速越来越快，频率增加。因此，自相位调制创造了新的频率，产生随时间变化的瞬时频率(啁啾)，使较低频率出现在上升沿，较高频率出现在下降沿。

自相位调制：频谱展宽，时间轮廓不变

孤子演变

超连续起于非线性自相位调制和线性色散的共同作用。根据光纤性质和传输波长的不同，由于色散，脉冲的高频和低频分量的时间间隔可能增加或减小。增加时脉冲随时间分散，减小时脉冲形成稳定的光孤子波形。

对于基态孤子，脉冲形状和振幅不随传播距离变化。但是还有一类高阶孤子，它们在色散和自相位调制的相互作用下，脉冲形状和光谱随时间和距离演变。在破坏对称的扰动下，高阶孤子分裂成一系列基态孤子，继续非线性和色散传播并且受上述扰动影响。

对于每个新形成的孤子，高阶色散使能量向短波长传递，非弹性光散射效应使光谱连续向长波长频移。完全理解这两个过程中的数学细节非常复杂，但通过模拟可形象地展示脉冲在时域和频域的演变过程。

左图展示色散和非弹性散射诱导的孤子分裂，右图展示超连续的光谱演变，频移孤子和色散波在演变初期就开始产生。每个注入脉冲通过光纤输出相同的超连续光，光谱跨一个倍频程而且极其稳定，在数百THz范围内保持相干。有了稳定的跨倍频程超连续激光，精密光学频率梳也成为现实，在20年内实现20位小数的精密频率测量。

超连续产生=孤子分裂+色散波+孤子频移

孤子模拟

a. 理想的基态孤子，波形不变，非线性自相位调制和线性色散达到完美平衡。

b. 高强度脉冲在时域和频域形成周期性高阶孤子：某个时间和位置出现一个波峰，迅速消失后再次形成。

c. 在孤子分裂时，初始光脉冲分成一系列基态孤子(S)和色散波(DW)。两种模拟中都包含破坏初始周期演变的的高阶色散。单孤子分裂成多孤子，在传播时，色散使孤子带宽向高频(短波长)展宽，非弹性散射使孤子带宽向低频(长波长)展宽。

调制不稳定性

无噪声超连续光使用100 fs以内的脉冲产生。对于更宽的脉冲，超连续演变初期不经历高阶孤子动态，而是以调制不稳定性这种噪声驱动过程激发频率边带，对输入脉冲形成强调制。从噪声初步增长后，被调制光场演变成类似基态孤子串并产生频移。由于初始种子为噪声驱动，对于不同的脉冲，孤子振幅和宽度在时域和频域都会随机变化，因此产生的超连续光不具有相位稳定性。

超连续激光应用

作为信使之光，联系世界；作为计量之光，精确报时；作为治愈之光，恢复健康；作为传感之光，保护环境。换成光学表达就是：高容量波分复用、精密时间和频率测量、生物医学(OCT和成像)、大气和农业科学(激光成丝)。

来源：今日物理2013年7月刊