翻译 赵晓凡
光是自然界中最重要的现象之一，它的能力也最为全面：既可以像信使一样把信息从一个地方传送到另一个地，也可以像炼金术士那样改变物质成分——更专业地说，光可以诱发和调节化学、生物学以及凝聚态物学中的关键反应环节。对于人类来说，没有光便无法看见任何东西。
光的“多才多艺”源自于它千变万化的表现形式：短暂的闪光、会聚的光点、连续的光束，还有光的明暗变化、频率高低和偏振等等。对于可见光而言，光的颜色取决于它的频率或波长(波长越短频率越高)，一束光往往包含着许多频率。以我们最熟悉的人造光源白炽灯为例，它发出的光覆盖了整个可见光频段，因此听不到现出白色。
如果你只想让房间沐浴在温暖的灯光中，那么白炽灯足以满足你的要求；但对于更高级别的应用来说，白炽灯就显得力不从心了，因为它发出的光具有以下几个弱点：光线的强度较低；光向四面八方扩散，并非朝着单一方向辐射；构成光的那些粒子(即光子)彼此并非谐调一致地发生振动[即不具备相干性(coherent)]。激光则很好地解决了上述所有问题，但激光的频率范围很窄，它发出的并不是白光。对于很多应用而言，颜色单一的相干光源已经足够了。尽管如此，同时具有激光特性，又像白炽灯那样可以发出白光(即频率范围很宽)的光源，却能为我们打开一个全新的应用领域。
1969年，我还在美国纽约大学攻读博士学位，作为美国通用电话电子实验室(现在的威瑞森通讯公司，位于纽约的贝塞德)的一位技术人员，当时我与斯坦利·L·夏皮罗(StanleyL．Shapiro)一起共事。我们共同发明了一种全新的激光，它的频率范围很宽，能够覆盖大部分可见光频段，因此我们给它起名为“超连续谱”激光(supercontinuum，缩写为SC)。今天，研究人员制造出来的超连续谱激光的频率范围可以达到甚至超过一个倍频程(octave)。这里的倍频程类似于声音中的八度音阶，如果光的频率范围从某一频率一直延伸到该频率的两倍，这种光就是一个倍频程的光。可见光的频率范围大约从390万亿赫兹延伸到770万亿赫兹，因此整个可见光频段大约就是一个倍频程。这样，超连续谱激光就能实现“白色”激光的梦想。
跨越一个倍频程的激光使某些很有价值的设想有了实现的可能。美国科罗拉多大学博尔德分校及美国国家标准及技术研究所(NIST)的约翰·霍尔(John Hall)和德国马普量子光学研究所(位于加尔兴市)的特奥多尔·亨施(Theodor Hansch)，因使用这种激光实现了极其精确的时间和频率测量，共同获得了2005年度诺贝尔物理学奖。
我和夏皮罗用来产生超连续谱激光的基本方法，是把强度非常高、持续时间只有几个皮秒(万亿分之一秒)的绿色激光脉冲，输入到特殊的晶体或玻璃中，使光脉冲在其中传播。我设计这个实验的最初目的，是为了确定诸如方解石之类的晶体中振动激励(即声子)的寿命，结果却观察到了白色激光的产生：输入的绿色激光脉冲与介质发生了某种相互作用，导致激光的频率范围急剧展宽。后来，我们还尝试使用了液体介质(其他研究人员甚至使用了气体介质)，使超连续谱激光的光谱延伸到了红外频段。
研究液体中的声子动力学成为了超连续谱激光的第一个应用。其后不久，研究人员又把超连续谱激光作为一种全新的工具，用来探测发生在皮秒和飞秒(千万亿分之一秒)时间尺度上的变化过程——包括光合作用和视觉感知中光子被吸收时的主要化学过程、构成整个化学反应的各个步骤，以及激发态分子的无辐射跃迁过程等等。
1999年，美国朗讯科技公司的吉南德拉·K·兰卡(Jinendra K．Ranka)、罗伯特·S·温德勒(Robe~S．Windeler)和安德鲁·J·施腾策(Andrew J．Stentz)在一种特殊的光纤中产生了超连续谱激光，这为超连续谱激光开启了一段全新的迅速发展时期。除了一般的优点以外，光纤还可以把光限制在一个很小的横截面以内，这样即使传播很远的距离，光强仍可以保持很高的水平(在高光强的条件下，产生超连续谱激光所依赖的非线性光学过程会变得更加明显)。根据激光频率的不同，研究人员可以量身定制光纤的光学性质，使超连续谱激光的产生达到最优化，还可以探索新的物理效应，以更好地控制和利用超连续谱激光。迄今为止，超连续谱激光的应用已经扩展到很多领域，包括超精密时间及频率测量、宽带光纤通信、大气科学、光学相干断层分析(optical coherence tomography)成像技术等，还能将超短脉冲压缩到更短的时间尺度，也许还可以应用到空间重力测量领域，用来勘探石油和矿藏。
创造白色激光
将激光由单色转变成白色，并不像看上去这么简单，其中涉及多种物理效应。掌握这些效应，就能更好地驾驭白色激光。
多种不同的物理效应都可以引起激光脉冲频率范围的展宽，从而产生超连续谱激光，其中最主要的一种物理过程叫做“自相位调制”(self-phasemodul~ion)。在这种物理过程中，光脉冲改变了它所经过的物质的特性，而特性被改变的物质反过来又会影响光脉冲，使它的频率范围变宽。为了更好地理解这一物理过程，我们可以想象一个光脉冲的具体波形：脉冲的电场是一个振荡的序列，开始时振幅很小，然后逐渐增加至最大，接着又衰减到零(见83页中的框图)。振荡序列的大致轮廓(所谓的“包络”)清楚地勾勒出了光脉冲中，光强先增长后又衰减的整个过程。介质本身的一种特性(即折射率)决定了这些电磁振荡穿过介质的方式。光在介质中的传播速度就等于真空中的光速c除以介质的折射率。
如果光脉冲的强度足够大，光波的电场就会强烈扭曲介质中原子周围的电子云，使该处的折射率略微增加，这种现象叫做光克尔效应(opticalKerr effect)。光克尔效应改变了光脉冲振荡的波峰和波谷出现的位置，也就是光脉冲振荡的相位(phase)。确切地说，折射率的增加会延迟电场振荡中波峰和波谷出现的时间。
折射率增加的幅度由光强决定，所以当光脉冲经过介质中的某个位置时，该处的折射率会随着光强而发生连续变化，光脉冲的相位也会发生相应改变。在光脉冲的前半部分，光强和折射率都随时间增长，波峰和波谷的相对位置就会越来越滞后，峰谷之间的距离被越拉越长，光波的频率也因此变小。在光脉冲的后半部分，折射率随时间减小，相应地，光波的频率就会增大。这样，当光脉冲从介质中射出之后，脉冲前端的振荡就会变得更稀疏，而尾部的振荡则变得更密集。整个波形就像一根两端被固定的弹簧，中点却向某一端偏移了一小段距离一样(见83页插图)。
如果从激光脉冲光谱(即光强在各个频率或波长上的分布)的角度来考虑的话，激光频率范围的展宽就更加一目了然了。事实上，即使在光克尔效应起作用之前，一个激光脉冲也并不只包含单一的频率。相反，光脉冲可以看成是许多频率不同的光波叠加在一起构成的。所有的激光器都只发出特定的、波长不连续的光，因此激光脉冲的光谱就像一排等间隔排列的尖峰。这种光谱形状与脉冲的形状类似，又被称为“频率梳”(frequencycomb)。光谱轮廓线的宽度代表了光脉冲的频率范围(即带宽)。当一个强光脉冲从一种光克尔效应明显的介质中经过之后，光谱轮廓线就会加宽。
83页插图
1969年，我和夏皮罗发现超连续谱激光时，使用的是能量为1毫焦(千分之一焦耳)的皮秒光脉冲。1毫焦的能量似乎微不足道，只能将一枚曲别针升高几厘米，但当这些能量集中在l皮秒内，并聚焦成一个细小的光点时，它的功率就能达到100万千瓦，光强也非常之高。短短1个皮秒，激光已经足以实现很多功能。通常，光脉冲在光克尔效应很强的玻璃中只能传输几厘米，如果传输的距离更长，另外一种与折射率相关的作用(即介质的色散)就会瓦解激光脉冲。在通常的介质中，频率较高的光折射率较高，因而传播速度较慢，反过来，频率较低的光传播速度则较快。这样，光脉冲中的频率不同的光波就会以不同的速度向前传播，原本由这些光波紧密排列而成的光脉冲，就会越拉越长，很快消失于无形(这个过程被称为光脉冲的塌缩)。因此对于通常的介质来说，要在短短几厘米的传输距离内产生超连续谱激光，就必须使用具有很高光强的激光，这样才能引起足够强的物理效应，使光脉冲的频率范围充分展宽。
1999年，兰卡及其同事使用具有零色散和反常色散的光纤，最先解决了光脉冲塌缩难题。通过使用这些光纤，超短脉冲即使传输几十米(与普通介质中的几厘米相比，增长了上千倍)也不会坍塌。光脉冲在光纤中传输的时间(即光克尔效应之类的物理过程发挥作用的时间)大大增加，因此即使这些效应不那么强烈，也能得到十分明显的效果。这就意味着，功率更低的激光器所发出的微焦(百万分之一焦耳)光脉冲，甚至纳焦(十亿分之一焦耳)光脉冲，都能够用来产生超连续谱激光，以代替早期使用的毫焦光脉冲。
当输入光纤的光脉冲频率刚好位于反常色散区时，另外一种重要的物理现象将起主导作用。在这种情况下，每个光脉冲都会演变成一种叫做“孤子”(soliton)的特殊波。孤子的特点是传播时形状不发生改变，而通常的脉冲往往会逐渐扩散。这种恒定性是由作用在孤子上的反常色散平衡了介质中同时发生的其他效应所致。当介质材料具有反常色散时，导致超连续谱激光产生的主要原因是这些孤子，而不是前面提到的光克尔效应之类的自相位调制机制。
不论介质的色散是正常还是反常，超连续谱激光的频率范围都会在多种非线性光学效应的共同作用下进一步展宽，这些作用包括四波混频过程(four-wave mixing)和拉曼(Raman)过程。在四波混频过程中，3种频率不同的光在非线性光学介质中相互作用，会产生第4种频率的光。拉曼过程则涉及光与介质中声子的相互作用，作用的结果就是，光子得到或损失能量，从而使光的频率发生改变。 所有这些相互作用都会对光脉冲的改变产生或轻或重的影响。至于哪一种物理过程起主导作用，则取决于各个物理参数，包括光的频率，输入光脉冲的强度及持续时间，以及光纤的光学性质等——所有这些因素都是研究人员可以控制的。要想预言最终的输出结果，利用计算机对光纤中光脉冲的传输过程进行数值模拟是一种可靠的方法。不然就只能进行试验才能看到最终的结果。
用来产生超连续谱激光的光纤是一类被称为微结构光纤(microstructurefibers)的特殊光纤。这类光纤的横截面上排列着很多小孔，从头到尾贯穿整条光纤(见第84页中框图)。在一种比较常见的设计方案中，这些小孔包裹在一根硅芯周围，就像一个中心被填实的蜂窝一样。硅芯的折射率较高，而周围散布着空气孔的包层(cladding)的折射率则较低。这种内高外低的折射率分布有利于引导光脉冲沿着光纤传播。使用具有零色散和反常色散特性的微结构光纤，研究人员已经得到了频率从红外一直延伸到紫外的超连续谱激光，其频率范围已经超过两个倍频程。
白色激光的大用处
除了给我们的肉眼带来视觉震撼以外，白色激光的出现还成就了诸多应用，涵盖了从化学传感到精密时间及频率测量等多个领域。计量学
如前所述，光纤中产生的超连续谱激光已经得到了广泛的应用。其中最为重要、最为成熟的，当数超精确频率测量和精密时钟。在这一应用领域，超连续谱激光在一种名叫“光学频率梳”(optical frequency comb)的技术中大显身手。与以前采用的测量方法相比，这种技术能够用更简单、更小巧的测量系统达到更高的测量精度。特别值得一提的是，在2000年，霍尔和亨施各自领导的研究小组分别演示了一种被称为“自参考”(self-referencing)的技巧：当频率梳的频率范围超过一个倍频程时，科学家就能把位于光谱低频段的光进行倍频(也就是使光的频率增加一倍)，然后再与位于光谱高频段的光进行干涉。这种技巧能够进一步提高频率和时间测量的精度。
在霍尔和亨施工作的基础上，科学家正在努力开发频率测量相对精度能够达到1016～1018量级的系统(现有系统目前能达到的最高精度约为1014)。如此高的精确性可以用于改善一系列实用技术，比如全球定位系统、宇宙空间导航、超大规模射电望远镜阵列准直等；还可以用来验证狭义相对论及相关的基本原理，比如空间的各向同性、物质和反物质的对称性、自然常数的恒定性等。
频率测量和精密时钟是同一项技术的两个不同层面。研究人员目前正致力于研制精度为飞秒量级的时钟。光学频率梳技术最终可能使相对测量精度达到1018，将成为光计算机中的计时系统的理想选择。除此之外，这项技术还可能被用于勘探石油和矿藏，因为矿脉会对附近的重力场产生极其微弱的影响。
电信技术
与精密频率测量方面的应用相比，超连续谱激光在电信领域的应用能更快带来巨大的商业价值。实际上，超连续谱激光的几个关键特性使得它能够成为理想的信息载体，可使电信系统的数据传输速率比现在提高1，000倍以上。在光纤中用红外波段的激光传输数据，已成为一种最普遍的高速长程数据传输方式。科学家和工程师仍在不懈努力，试图通过光纤传送更
多的数据，以满足全球对于大容量通信系统和网络不断增长的需求。人们希望传输速率可以达到每秒百万MB甚至十亿MB，而目前两座城市之间典型的光纤通信传输速率仅为每秒1万MB左右。
超连续谱激光拥有超宽的频率范围，因此不需要借助数以百计的激光器，就可以经济有效地得到多个波长信道(wavelength channel)。超连续谱激光的带宽可以在超密集波分复用技术中大显身手，这种技术将数据流编码到不同波长的光中，通过单根光纤同时传输信号。超连续谱激光在很宽的频率范围内都具有相干性，因此它们产生的所有信道都以某种方式同步振荡，而目前由100个激光器发出的合成光束则不具备这种特性，各个狭窄频段内的光信号都各自为政地独立振荡，因此超连续谱激光的这一特性增加了对光的可控度。
此外，通过一种被称为时分复用的技术，一系列超连续谱激光的超短脉冲(持续时间短于100飞秒，即不到十万亿分之一秒)还可以在不同的时间段内，依次代表不同的信道，传输多路信号。用如此之短的光脉冲传输数据时，控制电场振荡(载波)和光脉冲轮廓(包络)之间的精确关系就尤为重要。这种被称为“载波包络相对位相”(relative phase of the carrier and the envelope)的特性可以确定某一瞬间脉冲包络的峰值是与载波的波峰重合，还是与波谷重合，抑或位于两者之间。超连续谱激光的性质使得这样的控制更易于实现。
日本的几个研究小组利用超连续谱激光的一小段光谱，实现了速率达到每秒百万MB的数据传输。要使传输速率能够达到每秒十亿MB，人们还需面对诸多挑战，比如如何将一个比特的信息持续的时间缩短到大约一个皮秒，如何增加超连续谱激光中相干波长信道的数量等。
大气科学
在电信领域中大显身手的超连续谱激光，是在光纤中完全由人为控制的环境中产生的，而在其他一些应用中，超连续谱激光却是在露天环境中产生的，比如对空气中气体分子种类的遥测就是其中之一。当高强度的超快激光脉冲在空气中传播时，它们会电离沿途经过的空气，也就是说，将电子从空气分子中击出，形成由带正电的离子和带负电的电子构成的、又长又窄的等离子体“细丝”。这些细丝可以引导光脉冲，并使它们不至于发散。科学家们认为，衍射(即一束波通过小孔后趋于发散的性质)引起的散焦作用和电离等离子体引起的自聚焦作用之间的平衡，是这一物理过程产生的原因。 在这些细丝内，当光传输的距离超过20米时，光脉冲的很大一部分能量就会转化成超连续谱白光。空气中的污染物和悬浮物都会吸收特定频率的光，利用超连续谱激光的宽光谱特性，科学家就能在紫外线、可见光和红外线波段，同时检测它们的吸收光谱。
成像学
除了可以用来探测我们周围的空气以外，超连续谱激光对于人体内部的高分辨率组织成像也十分有用。由美国麻省理工学院的詹姆士·G·藤本(James G．Fuiimoto)及其同事共同开创的一种叫做“光学相干断层分析”(缩写为OCT)的技术，可以直接检查生物体内的器官，也可以分析被切除的组织样品。这种技术已经被应用到人类和动物身上，用于研究视网膜、皮肤病、肠胃疾病以及癌细胞。
为了得到一幅OCT图像，一束光被分成两部分——一部分用来照亮样品，另一部分(也就是“参考”光)则进入一段光纤之中。当参考光与样本反射或散射回来的光重新结合在一起时，如果这两束光走完各自不同旅程所用的时间相同的话，它们就会发生强烈的干涉。光源的一种叫做“相干长度”(coherence length)的特性决定了这种时间匹配的精确程度。相干长度越短，两束光发生强烈干涉时，各自走完旅程所用的时间就匹配得越精确，因此得到的OCT图像的分辨率也就越高。
这样一来，当光点透射进样品后，只有从特定深度反射回来的光才会与参考光发生干涉。保持参考光走完全程所用的时间不变，光点横向扫遍整个样品之后，就可以得到一幅二维图像，展现出样品某一特定深度的结构。事实上，这张图像相当于样品中一层薄薄的切片，切片的厚度被称为图像的“轴向分辨率”(axial resolution)。
早期的OCT成像系统采用二极管作为光源，它发出的光所提供的轴向分辨率约为10～15微米。(相比之下，高频超声成像的分辨率仅有100微米左右。)经过优化、拥有较短相干长度的飞秒脉冲激光器，可以将轴向分辨率提高将近10倍一将“切片”的厚度缩短到2微米以下。
轴向分辨率还取决于光源的频率范围——频率范围越宽，分辨率就越高。超连续谱激光可以实现相干长度最短、频率范围最宽的飞秒激光，因此成了高分辨率OCT成像系统的理想光源。2002年，鲍里斯·波瓦佐伊(Boris Povazay，现工作于奥地利维也纳医科大学)及其同事利用微结构光纤中产生的超连续谱激光，得到了轴向分辨率为0．5微米的人体癌细胞图像(典型的细胞直径约为10微米)。
超连续谱激光是光学物理中最生动、最美丽的效应之一：一束强激光脉冲中的单色光，从晶体、光纤或者气体中穿越之后，居然变成了一道白光。然而，除了给我们的肉眼带来视觉震撼以外，超连续谱激光的产生还成就了诸多应用，涵盖了从化学传感到精密时间及频率测量等多个领域。问世35年来，超连续谱激光仍活跃在科学的各个领域，继续向着新的高度迈进。