光学延迟扫描的双重提升

脉冲激光源的各种应用依赖于产生一系列脉冲对的能力，它们之间的延迟逐步增加。要求以高精度实现这种光学延迟扫描，特别是对于长延迟。为应对这一挑战，ETH的物理学家开发了一种多功能的“双梳”激光器，它结合了宽扫描范围、高功率、低噪声、稳定运行和易用性，从而为实际应用提供了广阔的前景。

超快激光技术为精密测量提供了大量方法。这些特别包括广泛的脉冲激光实验，其中样品被激发，并在可变时间后测量响应。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宽泛的范围内扫描延迟时间是一项重大挑战。在JustinasPupeikis博士、BenjaminWillenberg博士和ChristopherPhillips博士的主要贡献下，量子电子研究所UrsulaKeller教授小组的一组研究人员现在朝着具有有可能成为广泛的实际应用的游戏规则改变者。

他们最近在Optica上发表文章，介绍并展示了一种多功能激光设计，该设计既提供出色的规格，又提供低复杂度的设置，可在数小时内稳定运行。

长期延误的漫长道路

扫描光学延迟的概念上最简单的解决方案是基于激光，其输出分为两个脉冲。虽然其中一个采用固定路线到达目标，但第二个脉冲的光路通过线性位移反射镜而变化。镜子之间的路径越长，激光脉冲到达目标的时间越晚，相对于第一个脉冲的延迟也就越长。

然而，问题在于光以着名的高速传播，每纳秒(在空气中)覆盖约0.3米。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的机械结构的大型设备。

避免这种复杂结构的一种优雅方法是使用一对超短脉冲激光器，它们发射脉冲序列，每个脉冲的重复率略有不同。例如，如果从每个激光器发出的第一个脉冲完全同步，那么第二对脉冲之间的延迟对应于两个激光器重复时间的差异。

下一对脉冲之间有两倍的延迟，依此类推。以这种方式，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和快速扫描。参考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序列的最精细的激光系统类型称为双梳。

虽然双梳方法的前景早已明确，但应用的进展却受到与设计易于部署的激光系统相关的挑战的阻碍，该系统可提供两个同时操作的具有所需质量和高相对稳定性的梳。现在，Pupeikis等人。在这样一种实用的激光器上取得了突破，关键是在同一个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的激光输出光谱。(b)由快速光电二极管产生的光电流的归一化功率谱密度，用微波光谱分析仪分析。插图显示了两个射频梳的一次谐波的放大。(c)重复率差异与使用微电机(Newport)的双棱镜横向位置。信用：光学(2022)。DOI:10.1364/OPTICA.457787

二从一

研究人员手头的任务是构建一个由两个相干光脉冲序列组成的激光源，除了重复率的重要差异之外，它们在所有特性上基本相同。实现这一目标的自然途径是在同一个激光腔中创建两个梳子。

过去已经引入了用于实现这种激光腔复用的各种方法。但这些通常需要在腔内放置额外的组件。除其他问题外，这会导致两个梳子的损耗和不同的色散特性。ETH物理学家已经克服了这些问题，同时仍确保两个梳子共享腔内的所有组件。

他们通过在空腔中插入一个“双棱镜”来实现这一点，这是一种在反射光的表面上有两个独立角度的装置。双棱镜将腔模式分成两部分，研究人员表明，通过光学腔的适当设计，两个梳子可以在有源腔内组件上空间分离，同时仍然采用非常相似的路径。

“有源元件”在此指的是感应激光的增益介质，以及所谓的SESAM(半导体可饱和吸收镜)元件，它可以实现锁模和脉冲生成。在这些阶段模式的空间分离意味着可以生成两个具有不同间距的梳子，而大多数其他属性基本上是重复的。特别是，两个梳子具有高度相关的时序噪声。

也就是说，虽然时间梳结构中的缺陷不可避免地存在，但对于两个梳而言它们几乎相同，从而可以处理这种噪声。

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设计上做出妥协。相反，最适合单梳操作的腔体结构可以很容易地适应双梳使用。因此，新设计也代表了相对于商业产品的重大简化，并为这种新型超快激光源的生产和部署开辟了道路。

在第一次示范中取得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(相当于空气中3.75m的距离)的光学延迟，精度为2-fs(物理距离小于一微米)，并且具有创纪录的稳定性单腔双梳激光器。

获得的性能——包括每个梳子超过2.4W的高功率、小于140fs的短脉冲持续时间以及与光学参量振荡器(OPO)的耦合以将光转换为不同的波长范围——强调该方法在广泛测量方面的实际潜力，从精密光学测距(绝对距离的光学测量)到高分辨率吸收光谱和非线性光谱，用于对超快现象进行采样。