多路超短脈沖協同工作系統

唐城田 馬澤航 龔 睿 魏 淮

(北京交通大學 電子信息工程學院,北京100044)

超短脈沖激光以極高峰值功率、極短脈沖時間所帶來的獨特優點，現今已經被廣泛應用于物理化學、生物醫學、材料加工等諸多前沿交叉領域，產生了一批重大發現和重要研究成果。同時伴隨著科技的發展和應用的深入，人們對超短脈沖激光器的要求日益提高，在越來越多的應用中需要多種超短脈沖協同工作以實現更多的功能，這使得超短脈沖光源由簡單單一化向系統化復雜化和協同化發展。實現脈沖光源的協同工作日益引起重視并成為研究熱點。本文主要對多路激光器協同工作在時間解析泵浦探測光譜學、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方面的應用以及實現多路激光器協同工作的同步技術做簡要介紹。

1 多路激光器協同工作的應用

1.1 時間解析泵浦探測光譜學

在泵浦-探測技術中使用兩路超短激光脈沖：泵浦脈沖和探測脈沖協同工作，它們之間具有可變的光學延遲Δt（如圖1所示）。泵浦脈沖在前，能量較高，負責激發樣本，導致樣本的性質發生變化。探測脈沖在后，能量較低，探測在特定的延遲Δt時刻由泵浦脈沖在樣品中引發的變化。通過改變泵浦脈沖和探測脈沖之間的時延Δt可以得到樣本隨時間的變化[1]。超短脈沖在與待測樣品發生相互作用時，在極短的時間內會產生普通測量手段難以測到的壽命極短的激發態或反應中間產物，因此利用該技術可以通過記錄光譜的各個瞬間的變化情況，獲取傳統的光譜技術所不能得到的光與物質相互作用的含時細節，根據這些光譜的特征，記錄光在與物質相互作用的過程中所發生的物理化學變化。

圖1 典型的泵浦-探測實驗裝置[1]

該技術通過泵浦脈沖和探測脈沖的協同工作來實現，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延調諧是實現該技術的關鍵。

在物理學、化學等領域泵浦-探測技術有著廣泛的應用。1999年諾貝爾化學獎得主艾哈邁德?澤維爾[2]通過飛秒分辨率的泵浦-探測技術觀測到了氰化碘的光分解反應，第一次從實驗中觀察到了皮秒量級的基元反應過程。此外，由于泵浦-探測技術可以提供電子能級、載流子動力學等信息，在納米材料、半導體材料鑒別等領域起到重要作用[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同工作來實現成像，實現該技術的關鍵是泵浦光和斯托克斯光之間的精確同步和快速調諧。泵浦光發生受激拉曼損失時，其強度會變低，與此同時斯托克斯光會發生受激拉曼增益，導致強度升高。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，實現對特定化學鍵的成像[4]。SRS成像原理圖如圖2所示。

圖2 SRS成像原理圖[4]

SRS在生物醫學方面有著廣泛的應用，2008年Freudiger C W等人首次將SRS應用于生物學成像[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同步系統產生了可調諧的雙色皮秒脈沖，利用該光源對小鼠耳標本進行了拉曼成像[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（光纖）中同時注入泵浦脈沖和信號脈沖，利用泵浦脈沖和信號光脈沖之間的強烈的非線性作用實現對信號光脈沖的放大，放大過程中要求泵浦脈沖序列和信號脈沖序列在時域上做到嚴格的同步和時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技術的基礎上，整合啁啾脈沖放大技術，將兩者的優勢充分發揮以獲得超短超強脈沖激光。

自從1992年Dubietis A等人首次提出實現高功率超短超強脈沖的光參量啁啾脈沖放大技術以來[7]，光參量啁啾脈沖放大在產生高功率、少光周期脈沖方面產生了廣泛的應用，2020年Qin Y等人利用OPCPA實現了一種工作在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

相干合成技術最早起源于20世紀80年代初對半導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現了多束激光的相干合成。

1.4.1 相干合成極超短脈沖技術。產生極短的周期或者亞光學周期量級的載波-包絡相穩定的光脈沖是超快光學的前沿之一。采用阿秒光脈沖結合泵浦-探測技術可以探測數十阿秒的超快電子動力學過程，可被用于原子動力學研究以及分子動力學的研究。由于具有極短的時間分辨，以及可以覆蓋包括水窗在內的重要光譜區段，阿秒光脈沖已經成為研究亞原子尺度的物理規律最有力的工具，并且在控制化學合成、從亞原子尺度研究生命現象等方面有著重要的應用前景。超短脈沖相干合成產生阿秒脈沖原理圖如圖3所示。

圖3 超短脈沖相干合成產生阿秒脈沖原理圖[9]

產生極短的光學周期量級的載波-包絡相穩定的光脈沖的兩個關鍵因素是遠超一個倍頻程的巨大帶寬，以及對頻譜相位的精確控制。這些要求對于用單個激光束來滿足是難以實現的，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域寬度更窄的合成脈沖，解決了單路激光器在峰值功率與脈寬上的限制。這一技術能夠成功的關鍵在于用于脈沖合成的各個脈沖之間的嚴格同步和相位穩定性，保證阿秒級別的嚴格同步是利用多路相干合成阿秒脈沖的關鍵。相位鎖定技術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工作有:2016年德國馬普量子光學研究所的E.Goulielmakis團隊將空芯光纖展寬后的超連續光譜分成四個部分，將這四個部分進行相干合成產生了脈寬只有975as的脈沖[10]。

1.4.2 相干合成實現高功率激光技術。目前激光相干合成技術已經成為高能激光技術發展的重要方向之一。在相干合成的研究初期研究人員重點關注的是連續波激光相干合成，隨著技術的成熟以及工業國防等領域對高峰值功率激光需求的不斷提升，脈沖激光的相干合成近年來成為激光技術領域的熱點。國際Zetta-Exawatt科學技術中心中的國際相干放大網絡工程(International Coherent Amplification Network，ICAN)項目計劃采用數以千計的光纖激光器進行相干合成將脈沖峰值功率增加到百太瓦量級作為新一代的粒子加速器驅動源[11]，ICAN的原理圖如圖4所示。ICAN從種子光源產生一個或多個相互關聯的脈沖，經過脈沖展寬、多級分束、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境下，進行物理實驗可對研究核爆炸、模擬宇宙中超新星、黑洞邊緣、恒星內核的環境提供大量數據。

圖4 國際相干放大網絡工程(ICAN)[11]

2 多路超短脈沖協同工作方法

如前所述，良好的同步是保證多路激光器協同工作系統能夠有效發揮作用的關鍵。當前超短脈沖激光實現同步的方案可以分為兩大類：主動同步和被動同步。

2.1 主動同步

主動同步是利用光學和機電反饋系統，通過探測和調節兩臺激光器的重復頻率和腔長實現脈沖同步。目前的主動同步技術主要包括鎖相環技術和平衡光學互相關技術。

2.1.1 鎖相環。鎖相環技術是一種利用相位同步產生的電壓去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率的負反饋控制技術，通過獲取激光器之間的重復頻率差值，得出誤差信號。利用該誤差信號改變壓電陶瓷的伸縮來控制激光器的激光脈沖的重復頻率來實現脈沖的同步輸出。2016年天津大學的田昊晨等人利用鎖相環技術實現了兩臺獨立運轉的摻鐿光纖飛秒激光器的脈沖序列與載波包絡相位同步[12]。

2.1.2 平衡光學互相關(BOC)。互相關可以測量兩個脈沖信號在時域的相對延時，但由于互相關信號的強度分布受到兩個基頻信號間的延時和信號強度波動的影響，所以在此基礎上發展出了平衡光學互相關。平衡光學互相關的思想是進行兩路相同的平衡互相關過程,即在其中一路互相關過程中人為引入固定的時延作為參考時延,再將兩路互相關信號在平衡探測器中相減,從而可以抵消基頻光的強度對互相關信號的影響,使得互相關信號的強度嚴格比例于兩路基頻光信號的初始相對延時。兩臺激光器之間的定時抖動可以用平衡光學互相關技術檢測，然后，信號通過電子控制回路反饋回來，以保持兩個激光器同步。

基于平衡光學互相關的主動同步已被證明是實現超低殘留抖動和長期穩定性的可靠方法[13，14]。2003年，T.R.Schibli等人提出了一種新的基于光學互相關的主動同步算法，首次利用平衡光學互相關實現了被動鎖模激光器的阿秒主動同步[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]，實現了跨越3.5 km光纖鏈路的遠程光-光同步方案，44小時以上的均方根定時抖動低于100fs。

2.2 被動同步

主動方案需要精確的脈沖探測和高速的機電反饋裝置，系統復雜，價格昂貴，反應速度受限，不利于系統集成。為此，人們提出了被動同步技術來改善這些缺點。被動同步技術主要包括交叉相位調制、共用可飽和吸收體和基于級聯Mamyshev再生器的同步多波長激光器。

2.2.1 交叉相位調制。被動同步產生的機制在于交叉相位調制或交叉克爾透鏡鎖模交叉相位調制引起的頻移改變了脈沖在激光腔內傳播一個來回的時間,補償了兩個激光腔的腔長失配。2020年Yang K等人利用交叉相位調制效應，將部分摻鉺激光脈沖注入摻鐿激光腔中實現了皮秒摻鉺光纖激光器與摻鐿光纖激光器之間的被動同步[15]。

2.2.2 共用可飽和吸收體。石墨烯獨特的零帶隙能級結構使其具有獨特的寬光帶的交叉吸收調制效應，其交叉吸收調制特性是指多束光同時通過石墨烯時，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現穩定的激光脈沖同步。石墨烯的雙波長交叉吸收調制效應如圖5所示。

圖5 石墨烯的雙波長交叉吸收調制效應(hvsignal,信號光；hvswitch,開關光)[17]

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

2.2.3 基于級聯Mamyshev再生器的同步多波長激光器。2020年北京交通大學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），該激光器將傳統多波長激光器的平行運轉方式為級聯運轉方式，利用多級級聯的非線性展寬和偏移濾波構成單腔環形結構，在脈沖環腔循環過程中進行波長切換實現多波長脈沖激光的天然同步和相干特性，克服了傳統多波長激光器的增益競爭、波長沖突和同步困難的問題[17]，提供了實現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Mamyshev再生器(MR)臂,每個臂包含不同波長的濾波器(BPF),λ1～λ6代表不同的波長[17]。

3 結論

泵浦探測技術、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都需要通過多路脈沖協同工作來實現。為實現以上功能人們提出了多種實現方案，主動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的重復頻率，同步精度低，系統復雜，價格昂貴?；诮徊嫦辔徽{制和共用可飽和吸收體的被動同步激光器要求兩個激光器的腔長嚴格匹配，典型的失配容忍度在幾十微米量級，這造成系統對環境敏感，穩定性較差，對其實用帶來很多不便。其中基于級聯Mamyshev再生器的同步多波長激光器為代表的，從激光器結構和運轉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?，多路超短脈沖協同工作是實現當前超快領域多種應用的技術基礎，而多路超短脈沖同步技術作為保證激光器協同工作的關鍵環節，也是新技術不斷涌現的研究熱點，仍處在不斷進步的發展階段。