唐城田 馬澤航 龔 睿 魏 淮

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100044)

超短脈沖激光以極高峰值功率、極短脈沖時(shí)間所帶來的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物理化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料加工等諸多前沿交叉領(lǐng)域，產(chǎn)生了一批重大發(fā)現(xiàn)和重要研究成果。同時(shí)伴隨著科技的發(fā)展和應(yīng)用的深入，人們對(duì)超短脈沖激光器的要求日益提高，在越來越多的應(yīng)用中需要多種超短脈沖協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)更多的功能，這使得超短脈沖光源由簡單單一化向系統(tǒng)化復(fù)雜化和協(xié)同化發(fā)展。實(shí)現(xiàn)脈沖光源的協(xié)同工作日益引起重視并成為研究熱點(diǎn)。本文主要對(duì)多路激光器協(xié)同工作在時(shí)間解析泵浦探測光譜學(xué)、受激拉曼散射成像、光參量啁啾脈沖放大和超短脈沖相干合成等幾個(gè)方面的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)多路激光器協(xié)同工作的同步技術(shù)做簡要介紹。

1 多路激光器協(xié)同工作的應(yīng)用

1.1 時(shí)間解析泵浦探測光譜學(xué)

在泵浦-探測技術(shù)中使用兩路超短激光脈沖：泵浦脈沖和探測脈沖協(xié)同工作，它們之間具有可變的光學(xué)延遲Δt（如圖1所示）。泵浦脈沖在前，能量較高，負(fù)責(zé)激發(fā)樣本，導(dǎo)致樣本的性質(zhì)發(fā)生變化。探測脈沖在后，能量較低，探測在特定的延遲Δt時(shí)刻由泵浦脈沖在樣品中引發(fā)的變化。通過改變泵浦脈沖和探測脈沖之間的時(shí)延Δt可以得到樣本隨時(shí)間的變化[1]。超短脈沖在與待測樣品發(fā)生相互作用時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生普通測量手段難以測到的壽命極短的激發(fā)態(tài)或反應(yīng)中間產(chǎn)物，因此利用該技術(shù)可以通過記錄光譜的各個(gè)瞬間的變化情況，獲取傳統(tǒng)的光譜技術(shù)所不能得到的光與物質(zhì)相互作用的含時(shí)細(xì)節(jié)，根據(jù)這些光譜的特征，記錄光在與物質(zhì)相互作用的過程中所發(fā)生的物理化學(xué)變化。

圖1 典型的泵浦-探測實(shí)驗(yàn)裝置[1]

該技術(shù)通過泵浦脈沖和探測脈沖的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)，泵浦脈沖序列和探測脈沖序列的同步和脈沖序列之間的精確時(shí)延調(diào)諧是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵。

在物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域泵浦-探測技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主艾哈邁德?澤維爾[2]通過飛秒分辨率的泵浦-探測技術(shù)觀測到了氰化碘的光分解反應(yīng)，第一次從實(shí)驗(yàn)中觀察到了皮秒量級(jí)的基元反應(yīng)過程。此外，由于泵浦-探測技術(shù)可以提供電子能級(jí)、載流子動(dòng)力學(xué)等信息，在納米材料、半導(dǎo)體材料鑒別等領(lǐng)域起到重要作用[3]。

1.2 受激拉曼散射成像

在受激拉曼散射(SRS)成像中利用泵浦光和斯托克斯光的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)成像，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是泵浦光和斯托克斯光之間的精確同步和快速調(diào)諧。泵浦光發(fā)生受激拉曼損失時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)變低，與此同時(shí)斯托克斯光會(huì)發(fā)生受激拉曼增益，導(dǎo)致強(qiáng)度升高。通過鎖相放大器檢測這種能量的損失或增益，作為成像襯度來源，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定化學(xué)鍵的成像[4]。SRS成像原理圖如圖2所示。

圖2 SRS成像原理圖[4]

SRS在生物醫(yī)學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用，2008年Freudiger C W等人首次將SRS應(yīng)用于生物學(xué)成像[5]。2020年Yang K等人利用皮秒摻鉺光纖激光器與摻鐿光纖激光器之間的被動(dòng)同步系統(tǒng)產(chǎn)生了可調(diào)諧的雙色皮秒脈沖，利用該光源對(duì)小鼠耳標(biāo)本進(jìn)行了拉曼成像[6]。

1.3 光參量啁啾脈沖放大

光參量放大(OPA)的基本思想是在非線性介質(zhì)（光纖）中同時(shí)注入泵浦脈沖和信號(hào)脈沖，利用泵浦脈沖和信號(hào)光脈沖之間的強(qiáng)烈的非線性作用實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光脈沖的放大，放大過程中要求泵浦脈沖序列和信號(hào)脈沖序列在時(shí)域上做到嚴(yán)格的同步和時(shí)域重疊以獲取最佳的放大效果。光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)是在OPA技術(shù)的基礎(chǔ)上，整合啁啾脈沖放大技術(shù)，將兩者的優(yōu)勢充分發(fā)揮以獲得超短超強(qiáng)脈沖激光。

自從1992年Dubietis A等人首次提出實(shí)現(xiàn)高功率超短超強(qiáng)脈沖的光參量啁啾脈沖放大技術(shù)以來[7]，光參量啁啾脈沖放大在產(chǎn)生高功率、少光周期脈沖方面產(chǎn)生了廣泛的應(yīng)用，2020年Qin Y等人利用OPCPA實(shí)現(xiàn)了一種工作在1700nm處的全光纖高功率放大器，該激光器在1700nm處輸出平均功率為1.42 W[8]。

1.4 超短脈沖相干合成

相干合成技術(shù)最早起源于20世紀(jì)80年代初對(duì)半導(dǎo)體激光器鎖相陣列的研究，后來在二極管泵浦的固體激光器中實(shí)現(xiàn)了多束激光的相干合成。

1.4.1 相干合成極超短脈沖技術(shù)。產(chǎn)生極短的周期或者亞光學(xué)周期量級(jí)的載波-包絡(luò)相穩(wěn)定的光脈沖是超快光學(xué)的前沿之一。采用阿秒光脈沖結(jié)合泵浦-探測技術(shù)可以探測數(shù)十阿秒的超快電子動(dòng)力學(xué)過程，可被用于原子動(dòng)力學(xué)研究以及分子動(dòng)力學(xué)的研究。由于具有極短的時(shí)間分辨，以及可以覆蓋包括水窗在內(nèi)的重要光譜區(qū)段，阿秒光脈沖已經(jīng)成為研究亞原子尺度的物理規(guī)律最有力的工具，并且在控制化學(xué)合成、從亞原子尺度研究生命現(xiàn)象等方面有著重要的應(yīng)用前景。超短脈沖相干合成產(chǎn)生阿秒脈沖原理圖如圖3所示。

圖3 超短脈沖相干合成產(chǎn)生阿秒脈沖原理圖[9]

產(chǎn)生極短的光學(xué)周期量級(jí)的載波-包絡(luò)相穩(wěn)定的光脈沖的兩個(gè)關(guān)鍵因素是遠(yuǎn)超一個(gè)倍頻程的巨大帶寬，以及對(duì)頻譜相位的精確控制。這些要求對(duì)于用單個(gè)激光束來滿足是難以實(shí)現(xiàn)的，多路脈沖的相干合成既可以在光場的振幅上得到大幅度的提高，又可以通過頻域組合得到時(shí)域?qū)挾雀暮铣擅}沖，解決了單路激光器在峰值功率與脈寬上的限制。這一技術(shù)能夠成功的關(guān)鍵在于用于脈沖合成的各個(gè)脈沖之間的嚴(yán)格同步和相位穩(wěn)定性，保證阿秒級(jí)別的嚴(yán)格同步是利用多路相干合成阿秒脈沖的關(guān)鍵。相位鎖定技術(shù)一般可分為空間域和頻率域的相干合成。其中頻率域的相干合成所追求的超短脈沖的激光輸出。頻率域相干合成的相關(guān)工作有:2016年德國馬普量子光學(xué)研究所的E.Goulielmakis團(tuán)隊(duì)將空芯光纖展寬后的超連續(xù)光譜分成四個(gè)部分，將這四個(gè)部分進(jìn)行相干合成產(chǎn)生了脈寬只有975as的脈沖[10]。

1.4.2 相干合成實(shí)現(xiàn)高功率激光技術(shù)。目前激光相干合成技術(shù)已經(jīng)成為高能激光技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。在相干合成的研究初期研究人員重點(diǎn)關(guān)注的是連續(xù)波激光相干合成，隨著技術(shù)的成熟以及工業(yè)國防等領(lǐng)域?qū)Ω叻逯倒β始す庑枨蟮牟粩嗵嵘}沖激光的相干合成近年來成為激光技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國際Zetta-Exawatt科學(xué)技術(shù)中心中的國際相干放大網(wǎng)絡(luò)工程(International Coherent Amplification Network，ICAN)項(xiàng)目計(jì)劃采用數(shù)以千計(jì)的光纖激光器進(jìn)行相干合成將脈沖峰值功率增加到百太瓦量級(jí)作為新一代的粒子加速器驅(qū)動(dòng)源[11]，ICAN的原理圖如圖4所示。ICAN從種子光源產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的脈沖，經(jīng)過脈沖展寬、多級(jí)分束、放大和脈沖壓縮，相干合束得到高功率激光脈沖。在高功率激光提供的具有超高能量密度的極端環(huán)境下，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)可對(duì)研究核爆炸、模擬宇宙中超新星、黑洞邊緣、恒星內(nèi)核的環(huán)境提供大量數(shù)據(jù)。

圖4 國際相干放大網(wǎng)絡(luò)工程(ICAN)[11]

2 多路超短脈沖協(xié)同工作方法

如前所述，良好的同步是保證多路激光器協(xié)同工作系統(tǒng)能夠有效發(fā)揮作用的關(guān)鍵。當(dāng)前超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)同步的方案可以分為兩大類：主動(dòng)同步和被動(dòng)同步。

2.1 主動(dòng)同步

主動(dòng)同步是利用光學(xué)和機(jī)電反饋系統(tǒng)，通過探測和調(diào)節(jié)兩臺(tái)激光器的重復(fù)頻率和腔長實(shí)現(xiàn)脈沖同步。目前的主動(dòng)同步技術(shù)主要包括鎖相環(huán)技術(shù)和平衡光學(xué)互相關(guān)技術(shù)。

2.1.1 鎖相環(huán)。鎖相環(huán)技術(shù)是一種利用相位同步產(chǎn)生的電壓去調(diào)諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標(biāo)頻率的負(fù)反饋控制技術(shù)，通過獲取激光器之間的重復(fù)頻率差值，得出誤差信號(hào)。利用該誤差信號(hào)改變壓電陶瓷的伸縮來控制激光器的激光脈沖的重復(fù)頻率來實(shí)現(xiàn)脈沖的同步輸出。2016年天津大學(xué)的田昊晨等人利用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的摻鐿光纖飛秒激光器的脈沖序列與載波包絡(luò)相位同步[12]。

2.1.2 平衡光學(xué)互相關(guān)(BOC)。互相關(guān)可以測量兩個(gè)脈沖信號(hào)在時(shí)域的相對(duì)延時(shí)，但由于互相關(guān)信號(hào)的強(qiáng)度分布受到兩個(gè)基頻信號(hào)間的延時(shí)和信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)的影響，所以在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了平衡光學(xué)互相關(guān)。平衡光學(xué)互相關(guān)的思想是進(jìn)行兩路相同的平衡互相關(guān)過程,即在其中一路互相關(guān)過程中人為引入固定的時(shí)延作為參考時(shí)延,再將兩路互相關(guān)信號(hào)在平衡探測器中相減,從而可以抵消基頻光的強(qiáng)度對(duì)互相關(guān)信號(hào)的影響,使得互相關(guān)信號(hào)的強(qiáng)度嚴(yán)格比例于兩路基頻光信號(hào)的初始相對(duì)延時(shí)。兩臺(tái)激光器之間的定時(shí)抖動(dòng)可以用平衡光學(xué)互相關(guān)技術(shù)檢測，然后，信號(hào)通過電子控制回路反饋回來，以保持兩個(gè)激光器同步。

基于平衡光學(xué)互相關(guān)的主動(dòng)同步已被證明是實(shí)現(xiàn)超低殘留抖動(dòng)和長期穩(wěn)定性的可靠方法[13，14]。2003年，T.R.Schibli等人提出了一種新的基于光學(xué)互相關(guān)的主動(dòng)同步算法，首次利用平衡光學(xué)互相關(guān)實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)鎖模激光器的阿秒主動(dòng)同步[13]。2017年，M.Xin等人利用一種新型的極化噪聲抑制的BOC(PNS-BOC)[14]，實(shí)現(xiàn)了跨越3.5 km光纖鏈路的遠(yuǎn)程光-光同步方案，44小時(shí)以上的均方根定時(shí)抖動(dòng)低于100fs。

2.2 被動(dòng)同步

主動(dòng)方案需要精確的脈沖探測和高速的機(jī)電反饋裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，反應(yīng)速度受限，不利于系統(tǒng)集成。為此，人們提出了被動(dòng)同步技術(shù)來改善這些缺點(diǎn)。被動(dòng)同步技術(shù)主要包括交叉相位調(diào)制、共用可飽和吸收體和基于級(jí)聯(lián)Mamyshev再生器的同步多波長激光器。

2.2.1 交叉相位調(diào)制。被動(dòng)同步產(chǎn)生的機(jī)制在于交叉相位調(diào)制或交叉克爾透鏡鎖模交叉相位調(diào)制引起的頻移改變了脈沖在激光腔內(nèi)傳播一個(gè)來回的時(shí)間,補(bǔ)償了兩個(gè)激光腔的腔長失配。2020年Yang K等人利用交叉相位調(diào)制效應(yīng)，將部分摻鉺激光脈沖注入摻鐿激光腔中實(shí)現(xiàn)了皮秒摻鉺光纖激光器與摻鐿光纖激光器之間的被動(dòng)同步[15]。

2.2.2 共用可飽和吸收體。石墨烯獨(dú)特的零帶隙能級(jí)結(jié)構(gòu)使其具有獨(dú)特的寬光帶的交叉吸收調(diào)制效應(yīng)，其交叉吸收調(diào)制特性是指多束光同時(shí)通過石墨烯時(shí)，使石墨烯中的電子躍遷占位，由泡利不相容原理引起的透過率受其它波長光的功率的影響，利用石墨烯的這種特性便能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光脈沖同步。石墨烯的雙波長交叉吸收調(diào)制效應(yīng)如圖5所示。

圖5 石墨烯的雙波長交叉吸收調(diào)制效應(yīng)(hvsignal,信號(hào)光；hvswitch,開關(guān)光)[17]

2014年Jaroslaw Sotor等人利用石墨烯可飽和吸收體鎖模首次實(shí)現(xiàn)了摻銩和摻鉺光纖激光器的被動(dòng)同步，實(shí)現(xiàn)了中心波長為1.5 μm和2.0 μm的同步脈沖輸出，時(shí)間抖動(dòng)的均方根為67fs，其腔長失配長度為0.78 mm[16]。

2.2.3 基于級(jí)聯(lián)Mamyshev再生器的同步多波長激光器。2020年北京交通大學(xué)的李榮華等人首次提出了一種新型同步多波長光纖激光器（如圖6所示），該激光器將傳統(tǒng)多波長激光器的平行運(yùn)轉(zhuǎn)方式為級(jí)聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，利用多級(jí)級(jí)聯(lián)的非線性展寬和偏移濾波構(gòu)成單腔環(huán)形結(jié)構(gòu)，在脈沖環(huán)腔循環(huán)過程中進(jìn)行波長切換實(shí)現(xiàn)多波長脈沖激光的天然同步和相干特性，克服了傳統(tǒng)多波長激光器的增益競爭、波長沖突和同步困難的問題[17]，提供了實(shí)現(xiàn)同步超短脈沖光源的新方法。

圖6 Ma mys he v振蕩器的示意圖

該腔包含六個(gè)Mamyshev再生器(MR)臂,每個(gè)臂包含不同波長的濾波器(BPF),λ1～λ6代表不同的波長[17]。

3 結(jié)論

泵浦探測技術(shù)、受激拉曼散射成像、光參量啁啾脈沖放大和極短脈沖相干合成等重要技術(shù)都需要通過多路脈沖協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)以上功能人們提出了多種實(shí)現(xiàn)方案，主動(dòng)方案需要精確的脈沖探測和高速的電子反饋裝置控制系統(tǒng)的重復(fù)頻率，同步精度低，系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴?；诮徊嫦辔徽{(diào)制和共用可飽和吸收體的被動(dòng)同步激光器要求兩個(gè)激光器的腔長嚴(yán)格匹配，典型的失配容忍度在幾十微米量級(jí)，這造成系統(tǒng)對(duì)環(huán)境敏感，穩(wěn)定性較差，對(duì)其實(shí)用帶來很多不便。其中基于級(jí)聯(lián)Mamyshev再生器的同步多波長激光器為代表的，從激光器結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)方式入手獲取具有天然同步和相干性的多路激光脈沖的解決方案為這一問題提供了新思路?？傊嗦烦堂}沖協(xié)同工作是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前超快領(lǐng)域多種應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，而多路超短脈沖同步技術(shù)作為保證激光器協(xié)同工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的研究熱點(diǎn)，仍處在不斷進(jìn)步的發(fā)展階段。