邱 江, 闫 宇, 李嘉敏, 肖连团. 利用双零色散点窄反常色散带光纤制备高相干中红外超连续谱(封面文章)[J].量子电子学报, 2026, 43(3): 421-430.

QIU Jiang, YAN Yu, LI Jiamin, XIAO Liantuan. Design of an optical fiber with dual zero⁃dispersion wavelengths forming a narrow anomalous dispersion band for high⁃ coherence mid⁃infrared supercontinuum generation(Cover Paper)[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2026, 43(3): 421-430

全文链接：http://lk.hfcas.ac.cn/CN/10.3969/j.issn.1007-5461.2026.03.009

中红外光谱覆盖2.5~20 µm的波段范围，因其独特的分子指纹吸收特性，在痕量气体检测、环境监测和生物医学无损诊断等领域具有重要的应用价值。超连续谱光源兼具高亮度、宽光谱范围，良好的脉冲相干性，被广泛应用于高分辨双梳光谱学、光学相干层析成像及精密干涉测量等领域。然而，传统基于反常色散区泵浦的光谱展宽机制，常会导致超连续谱的退相干效应。因此，如何在中红外波段同时实现宽光谱范围、高光谱平坦度和良好的相干性，仍是当前非线性光学领域有待解决的技术难题。

本文提出了一种锗芯硅包层六角晶格光子晶体光纤，采用改进型灰狼优化算法对光纤结构参数进行逆向优化设计，使其在中红外波段形成了由两个零色散波长界定的窄反常色散带。数值模拟表明，利用峰值功率为2 kW、脉冲宽度为100 fs、泵浦波长为5.5 µm的泵浦光激发光纤，可产生覆盖3~10 µm范围的高相干中红外超连续谱。

1. 光纤结构设计与优化

图1(a)为本文设计的光子晶体光纤结构示意图。该光纤采用锗单质为纤芯材料，硅单质为包层材料，包层结构由呈六角晶格排列的空气孔构成。针对光子晶体光纤色散调控的多维非凸优化难点，通过改进型灰狼优化算法的双路径竞争‑择优机制，实现全局探索与局部精细搜索，有效避免局部最优。以窄化反常色散带为目标，结合约束惩罚项完成参数寻优，最终得到最优的光子晶体光纤结构：孔间距Λ=1.8 μm，纤芯半径r=1.5 μm，四层空气孔直径分别为d₁=0.4 μm、d₂=d₃=d₄=0.8 μm。如图1(b)所示，优化后的光纤形成了一个由两个紧密相邻的零色散波长界定的窄带宽反常色散区，其中λZDW1为5.196 µm，λZDW2为7.544 µm，二者共同构成了一个带宽为2.348 µm的反常色散带。此外，该优化光纤具有高非线性、平坦反常色散分布以及低损耗传输特性，为产生高相干中红外超连续谱提供了理想的非线性介质。

图1 (a) 六角晶格形锗芯硅包层光子晶体光纤结构示意图；(b) 优化后的光纤色散随波长的变化曲线图（标示了双零色散波长与泵浦波长位置）

2. 基于锗芯光纤产生中红外超连续谱

数值模拟采用分步傅里叶法求解广义非线性薛定谔方程，以峰值功率2 kW、脉宽100 fs、波长5.5 μm的飞秒脉冲泵浦10 cm的光纤，验证了孤子崩塌确定性展宽机制：脉冲能量沿相位匹配方向高效转移至正常色散区，避免传统孤子裂变带来的噪声放大与混沌演化。如图3所示，光谱可稳定覆盖3~10 μm中红外分子指纹区，其仅在泵浦波长附近呈现出显著的光谱凹陷，中心强度相较于两侧边带峰值下降了约15 dB。

图2 沿光纤长度的超连续谱频域与时域演化图。(a) 光谱演化图；(b) 时域包络演化图

为了定量评估本文设计的光纤在噪声环境下的光谱稳定性，引入1%振幅抖动、反相关脉宽抖动与量子噪声构成混合噪声模型，经20次独立系综模拟，结果如图3所示：所产生的超连续谱在3~10μm范围内平均一阶复相干度达98.27%，仅泵浦附近存在小幅相干振荡；在2.0% 高振幅噪声下，平均相干度仍保持90%以上。

图3 1%振幅噪声、反相关脉宽噪声以及量子噪声条件下的超连续谱稳定性及全波段噪声鲁棒性分析。(a) 理想脉冲与含噪脉冲（1%振幅混合噪声）产生的光谱强度对比；(b) 1%振幅混合噪声条件下的全波段一阶复相干度演化曲线；(c) 3.0~10.0 µm波段的平均相干度随泵浦振幅噪声水平的变化趋势

本文面向气体检测、高分辨光谱、精密计量等应用对高亮度高相干光源的需求，提出双零色散点窄反常色散带光纤设计方案，在5.5 μm飞秒脉冲泵浦下实现3.0~10.0 μm宽带高相干中红外超连续谱输出。数值模拟结果表明，利用超短脉冲在硅锗光纤的窄反常色散带内泵浦，是产生宽带高相干中红外超连续谱的有效途径，为中红外超连续谱在光谱分析、光学精密测量等领域的应用提供了新的技术方案。

团队介绍

太原理工大学物理与光电工程学院光学精密测量团队面向量子光学与精密成像领域的重大科学问题与关键技术挑战，聚焦非经典光源、量子调控成像与量子精密测量的交叉研究，构建了覆盖光源设计、调控方法、成像、通信与系统集成的完整技术体系。团队在量子测量、非经典光场产生及应用、单像素成像、智能光学与信息安全等方向形成了多项原创性成果，并通过跨学科协同推动成果向复杂环境勘测感知、生物医学检测、保密通信、国防安全等领域的应用。