光学延迟扫描的双重增强

导读：

 据悉，脉冲激光源的各种应用依赖于产生一系列脉冲对的能力，脉冲对之间的延迟逐步增加。以高精度实现这种光学延迟扫描是要求的，特别是对于长延迟。为了应对这一挑战，ETH物理学家开发了一种多功能的“双梳”激光器，它将宽扫描范围与高功率、低噪声、稳定操作和易于使用相结合，从而为实际应用提供了光明的前景。

Keller小组开发的紧凑型单腔双梳激光系统。来源：ETH Zurich/D-PHYS Benjamin Willenberg

超快激光技术为精确测量提供了大量方法。包括一类广泛的脉冲激光实验，其中样品被激发，在一段可变的时间后，测量响应。在此类研究中，两个脉冲之间的延迟通常应涵盖从飞秒到纳秒的范围。

在实践中，以可重复和精确的方式在如此宽的范围内扫描延迟时间是一项重大挑战。Institute for Quantum Electronics的Ursula Keller教授团队的研究人员，在Justinas Pupeikis博士、Benjamin Willenberg博士和Christopher Phillips博士的主要贡献下，已经朝着一个解决方案迈出了重大一步，该解决方案有可能成为广泛。

他们最近在《Optica》杂志上发表文章，介绍并展示了一种多功能激光器设计，该设计既能提供出色的规格，又能提供稳定运行数小时的低复杂度设置。

（a）腔体布局。（b）激光输出功率和脉冲持续时间演变与泵浦总功率的关系。

漫长的延迟之路

扫描光学延迟的概念上最简单的解决方案是基于激光器，其输出被分成两个脉冲。当其中一个脉冲沿固定路线到达目标时，第二个脉冲的光路随线性位移镜而变化。反射镜之间的路径越长，激光脉冲到达目标的时间越晚，相对于第一个脉冲的延迟越长。

然而，问题是，光以众所周知的高速传播，在空气中的传播速度约为0.3米/纳秒。对于机械延迟线，这意味着扫描延迟达数纳秒需要具有复杂且通常缓慢机械结构的大型设备。

避免这种复杂结构的一个优雅的方法是使用一对超短脉冲激光器，它们以稍微不同的重复率发射脉冲串。例如，如果从每个激光器发出的第一脉冲完全同步，那么第二对脉冲之间的延迟对应于两个激光器的重复时间差。

（a）使用信号源分析仪测量的每个单独脉冲串的绝对（红色和蓝色）定时噪声。使用补充1中描述的多外差测量测量的两个脉冲串之间的相对定时抖动（黑色）。（b）通过积分定时噪声曲线获得的定时抖动。

下一对脉冲之间的延迟是它们的两倍，以此类推。这样，至少在理论上，可以在没有移动部件的情况下对光学延迟进行完美的线性快速扫描。根据由一对光学频率梳组成的输出的光谱结构，产生两个这样的脉冲串的激光系统的最精细类型被称为双梳。

尽管双梳方法的前景早已明朗，但在设计一个易于部署的激光系统方面的挑战阻碍了应用的进展，该系统提供两个同时运行的梳，具有所需的质量和较高的相对稳定性。现在，Pupeikis等人在这种实用激光器方面取得了突破，关键是在同一激光腔中产生两个频率梳的新方法。

（a）用光谱分析仪测量的对数标度激光输出光谱。（b）用微波频谱分析仪分析快速光电二极管产生的光电流的归一化功率谱密度。插图显示放大两个射频梳的一次谐波。（c）重复率差与双棱镜横向位置的关系，使用皮动器（Newport）。来源：Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.457787

二合一

研究人员手头的任务是构建一个激光源，该激光源由两个相干光脉冲序列组成，除了重复率的重要差异之外，它们在所有特性上基本相同。实现这一点的自然途径是在同一激光腔中创建两个梳状物。

过去已经介绍了用于实现这种激光腔复用的各种方法。但这些通常需要在空腔内放置额外的部件。这为两个梳状物引入了损耗和不同的色散特性，以及其他问题。ETH物理学家克服了这些问题，同时仍确保两个梳子共享腔内的所有组件。

每个梳的相对强度噪声谱。根据光电二极管规格和输入功率计算散粒噪声限值。

他们通过在腔中插入“双棱镜”来实现这一点，这是一种在反射光的表面上具有两个不同角度的装置。双棱镜将腔模式分为两部分，研究人员表明，通过适当的光学腔设计，两个梳状物可以在有源腔内组件上空间分离，而在其他情况下仍然采用非常相似的路径。

这里的“有源元件”指的是产生激光的增益介质，以及所谓的SESAM（半导体可饱和吸收镜）元件，它可以实现模式锁定和脉冲产生。这些阶段模式的空间分离意味着可以产生具有不同间距的两个梳状，而大多数其他特性基本上是重复的。特别地，两个梳状物具有高度相关的定时噪声。

也就是说，虽然时间梳状结构中的缺陷不可避免地存在，但对于两个梳状结构来说，它们几乎相同，从而有可能处理这种噪声。

通往实际应用的大门

现在介绍的新型单腔结构的一个突出特点是，它不需要在激光器设计中做出妥协。相反，对于单梳操作最佳的腔结构可以容易地适用于双梳使用。由此，新设计也代表了相对于商业产品的重大简化，并为这类新型超快激光源的生产和部署开辟了一条道路。

在第一次演示中实现的基准非常令人鼓舞。研究人员以高达500Hz的速率扫描了12.5ns的光学延迟（相当于在空气中3.75米的距离），扫描精度为2-fs（物理距离小于1微米），单腔双梳激光器具有创纪录的高稳定性。

（a）具有两个光学互相关器（XCORR）的多色等效时间采样设置。（b）长期重复率差Δ