基于平衡光學(xué)互相關(guān)方法的超短脈沖激光相干合成技術(shù)?

黃沛方少波 黃杭東 侯洵 魏志義3)

1)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119)

2)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心,北京 100190)

3)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(2018年10月15日收到;2018年11月17日收到修改稿)

相干合成技術(shù)是超快光學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向之一.當(dāng)單路脈沖激光的連續(xù)譜超過(guò)一個(gè)倍頻程時(shí),精確控制其光譜相位(色散管理)是獲得亞周期超短脈沖激光的關(guān)鍵.由于常見(jiàn)的脈沖壓縮系統(tǒng)存在光譜帶寬限制,因此多通道相干合成技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注.本文將充氣空心光纖展寬后的超倍頻程連續(xù)光譜分波段獨(dú)立壓縮,并利用平衡光學(xué)互相關(guān)方法鎖定子脈沖之間的相位延遲,獲得了4.1 fs的合成脈沖.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相干合成技術(shù)在高能量亞周期超快光場(chǎng)調(diào)控中存在優(yōu)勢(shì).

1 引 言

產(chǎn)生脈沖寬度更短、峰值功率更高的脈沖激光,一直是激光科學(xué)研究最重要的前沿發(fā)展方向之一.由于受到激光增益介質(zhì)和脈沖壓縮系統(tǒng)的帶寬限制,單路激光難以直接輸出單(亞)周期量級(jí)的超短脈沖.對(duì)于超倍頻程光譜,利用多通道相干合成技術(shù)[1?3],分波段單獨(dú)控制其光譜的振幅和相位,可較為靈活地實(shí)現(xiàn)單(亞)周期脈沖壓縮[4].近年來(lái),美國(guó)斯坦福大學(xué)利用雙色合成光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)氘分子,利用其振動(dòng)躍遷頻率產(chǎn)生拉曼邊帶.由于兩束激光脈沖的中心頻率差與氘分子的第一級(jí)振動(dòng)躍遷頻率相近,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到十七條相干等距的斯托克斯邊帶和反斯托克斯邊帶.這些邊帶從約3μm一直延伸到近200 nm,控制其中部分波長(zhǎng)的相位進(jìn)行相干合成,產(chǎn)生了脈沖寬度為1.6 fs、脈沖間距為11 fs的超短光脈沖串[5,6].隨后,中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者基于此方案分別調(diào)控5路諧波的振幅,相對(duì)延遲和載波包絡(luò)相位等參數(shù),相干合成了具有多種波形特性的超短脈沖串[7,8].歐美等國(guó)的科學(xué)家們分別利用充氣空心光纖和光學(xué)參量啁啾脈沖放大(optical parametric chirped pulse amplification,OPCPA)技術(shù),先后實(shí)現(xiàn)了高能量亞周期相干合成超短脈沖[9?12].由于OPCPA方案的光路長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米,放大壓縮系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,特別需要精確控制各脈沖之間的相對(duì)延遲.在各種光路延遲鎖定技術(shù)中,平衡光學(xué)互相關(guān)(balanced optical cross-correlator,BOC)方法可以在公里量級(jí)的光路中實(shí)現(xiàn)阿秒量級(jí)的延遲鎖定,是實(shí)現(xiàn)高能量亞周期相干合成的關(guān)鍵技術(shù)之一[13,14].

本實(shí)驗(yàn)首次將BOC技術(shù)與充氣空心光纖技術(shù)相結(jié)合,在超過(guò)一個(gè)倍頻程的光譜中,具體對(duì)比了直接壓縮全段光譜得到的超短脈沖和分波段獨(dú)立壓縮子脈沖的超寬光譜后再同步合束得到的相干合成超短脈沖.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相干合成的壓縮脈沖寬度(4.1 fs)小于直接全波段光譜色散補(bǔ)償后獲得的超短脈沖(5.3 fs),并利用BOC技術(shù)精確鎖定了兩子脈沖的相對(duì)延時(shí),為下一步實(shí)現(xiàn)高能量相干合成系統(tǒng)奠定預(yù)研基礎(chǔ).

2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

超短脈沖既可以用時(shí)域E(t)來(lái)表達(dá),也可以用頻域(ω)來(lái)描述,頻域(ω)可由時(shí)域E(t)傅里葉逆變換得到[15]

這里|(ω)|為光譜強(qiáng)度,φ(ω)為光譜相位. 由于E(t)為實(shí)函數(shù),所以時(shí)域E(t)也可由頻域eE(ω)進(jìn)行傅里葉逆變換得到

由(1)和(2)式可知,在確定載波頻率ω0后,頻域上光譜帶寬?ω與時(shí)域上脈沖寬度τ不能相互獨(dú)立的變化,根據(jù)量子力學(xué)中的不確定性原理,存在一個(gè)時(shí)間帶寬積,其表達(dá)式為

也就是說(shuō)當(dāng)光譜帶寬?ω確定之后,脈沖時(shí)域?qū)挾圈硬恍∮?πcB/?ω,這就決定了此光譜所支持的最短脈沖寬度,也稱作傅里葉變換極限脈寬.因此支持亞周期量級(jí)脈沖的超連續(xù)光譜通常超過(guò)一個(gè)倍頻程,而要將脈寬壓縮至傅里葉變換極限,則需要將脈沖的色散(特別是高階色散)完全補(bǔ)償.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,鈦寶石激光放大器輸出的飛秒脈沖(790 nm,0.8 mJ,30 fs,1 kHz)被聚焦入射到充氣的空心光纖中,產(chǎn)生0.4 mJ的超倍頻程連續(xù)光譜(圖2中的黑色實(shí)線:450—950 nm).為了進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩套脈沖壓縮系統(tǒng).在壓縮器(1)中,空心光纖后的激光脈沖被雙色鏡分為兩個(gè)通道輸出(長(zhǎng)波波段:650—950 nm,短波波段:450—750 nm).兩個(gè)通道分別利用兩組定制的啁啾鏡并配合尖劈對(duì)進(jìn)行色散補(bǔ)償,再將獨(dú)立壓縮后的兩個(gè)子脈沖相干合成為一束激光輸出.利用BOC方法測(cè)量出兩個(gè)子脈沖的相對(duì)延遲信號(hào),并將其作為反饋型號(hào)實(shí)時(shí)控制長(zhǎng)波通道中的壓電陶瓷平移臺(tái)(PZT).在壓縮器(2)中,利用一組超寬帶啁啾鏡配合尖劈對(duì)進(jìn)行全波段光譜的色散補(bǔ)償.最后利用瞬態(tài)光柵頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)(transient-grating frequency-resolved optical gating,TG-FROG)裝置分別測(cè)量了兩類方案的壓縮效果[16].

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖(F,聚焦鏡;D,分束片;PZT,壓電陶瓷平移臺(tái);BOC,平衡光學(xué)互相關(guān);TG-FROG,瞬態(tài)光柵頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān))Fig.1.Experimental setup(F,focused lens;D,dichroic mirror;PZT,piezo-transducer;BOC,balanced optical cross-correlator;TG-FROG,transient-grating frequency-resolved optical grating).

圖2 空心光纖展寬光譜(實(shí)線,450—950 nm)以及分光后短波臂光譜(藍(lán)色點(diǎn)線,450—750 nm)和長(zhǎng)波臂光譜(紅色虛線,650—950 nm)Fig.2. Broad spectrum after hollow fiber(solid line,450–950 nm),short-wavelength arm spectrum(blue dot line,450–750 nm)and long-wavelength arm spectrum(red dotted line,650–950 nm)after dichroic mirror.

3 BOC技術(shù)

由于相干合成脈沖的波形非常依賴于子脈沖之間的相對(duì)相位(延時(shí)),這里重點(diǎn)討論利用BOC技術(shù)鎖定脈沖之間相對(duì)延時(shí).實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示,脈沖相干合成之后,引出小部分能量作為參考光.假設(shè)將此參考光鏡像等分成兩路.其中一路插入一片透明材料(如熔融石英、氟化鈣等),使得兩路參考光中紅光部分和藍(lán)光部分的延時(shí)有顯著差別,主要體現(xiàn)在兩路參考光通過(guò)同樣參數(shù)的偏硼酸鋇(BBO)晶體時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)強(qiáng)度不同的和頻信號(hào).只要相干合成子脈沖的相對(duì)延遲有微小的改變,其對(duì)應(yīng)的兩路和頻信號(hào)強(qiáng)度差就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化.而作為BOC裝置中的核心元器件,平衡光電二極管探測(cè)器能將這些常規(guī)方法不易察覺(jué)的微小延遲抖動(dòng)放大千萬(wàn)倍.20 min鎖定結(jié)果如圖4所示,可以看出,鎖定時(shí),子脈沖之前的相對(duì)延時(shí)抖動(dòng)量?jī)?yōu)于80 as RMS,未鎖定時(shí),子脈沖之前的相對(duì)延時(shí)抖動(dòng)量大于200 as RMS.

圖3 BOC裝置原理示意圖以及掃描得到的時(shí)間-電壓曲線(BBO,偏硼酸鋇晶體;PID controller,比例積分微分控制器;Balance PD,平衡光電二極管)Fig.3.Schematic representation of BOC and BOC signal(S curve).BBO,β-BaB2O4;PID controller,proportional-integral-derivative controller;balance PD,balance photodiode detector.

圖4 BOC方案鎖定兩束脈沖相對(duì)延時(shí)Fig.4.Relative time delay drift measurements.

4 脈沖寬度測(cè)量結(jié)果

為了使對(duì)比實(shí)驗(yàn)更有說(shuō)服力,選擇測(cè)量特性與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的TG-FROG.通過(guò)TG-FROG的測(cè)量結(jié)果可知,相干合成脈沖的時(shí)域?qū)挾刃∮谥苯尤ǘ喂庾V色散補(bǔ)償后獲得的超短脈沖.實(shí)驗(yàn)中由于啁啾鏡每次反射引入的負(fù)色散是固定值,所以需要用一對(duì)連續(xù)可調(diào)的尖劈對(duì)來(lái)配合補(bǔ)償.

圖5 相干合成脈沖測(cè)量結(jié)果Fig.5.Pulse duration measurement of synthesized pulses.

圖6 空心光纖后直接壓縮結(jié)果Fig.6.Pulse duration measurement after hollow fiber.

圖7 直接壓縮方案結(jié)果對(duì)比相干合成方案結(jié)果Fig.7.Compressed pulses with/without coherent synthesis.

在壓縮器(1)中,最優(yōu)化的壓縮結(jié)果是長(zhǎng)波通道需要在長(zhǎng)波啁啾鏡組(500—750 nm)中往返反射4次,獲得7.9 fs的脈沖,短波通道則需要在短波啁啾鏡組(750—1000 nm)中往返反射3次,產(chǎn)生6.1 fs的脈沖.最后通過(guò)長(zhǎng)波通道中的PZT優(yōu)化兩束脈沖之間的相對(duì)延時(shí),實(shí)現(xiàn)了4.1 fs的最短合成脈沖,如圖5所示.

在壓縮器(2)中,直接利用超寬帶啁啾鏡(500—1000 nm)配合尖劈對(duì)進(jìn)行色散補(bǔ)償,當(dāng)啁啾鏡往返反射4次時(shí),壓縮脈寬最短為5.3 fs,如圖6所示.

對(duì)比以上兩組脈沖壓縮結(jié)果可知,由于超寬光譜不同波段之間的色散量差異較大,直接壓縮方案難以在全光譜范圍內(nèi)獲得接近傅里葉變換極限的脈沖.而將超寬帶光譜分波段壓縮后再相干合成,可以針對(duì)各個(gè)波段色散量實(shí)現(xiàn)更有效的精細(xì)調(diào)節(jié),獲得更短的脈沖.根據(jù)圖7可知,兩方案在半高全寬處的脈沖占比一致,均為總脈沖能量的43.7%.由于相干合成方案引入了包括分(合)束鏡等透射元件,因此在整體色散補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)時(shí)需要統(tǒng)籌兼顧,否則會(huì)影響到脈沖對(duì)比度和整體壓縮效率.本實(shí)驗(yàn)中使用的啁啾鏡反射率大于99%,空心光纖系統(tǒng)后直接壓縮方案的能量損失約為5%.考慮到相干合成系統(tǒng)中使用的分(合)束鏡所產(chǎn)生的額外損失,當(dāng)輸入功率為400 mW時(shí),相干合成系統(tǒng)最終輸出為350 mW.通過(guò)優(yōu)化分(合)束鏡和啁啾鏡反射率,壓縮系統(tǒng)整體的能量損失有望進(jìn)一步降低.

5 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)直接用啁啾鏡對(duì)壓縮超倍頻程光譜時(shí),壓縮系統(tǒng)難以對(duì)所有光譜成分(特別是連續(xù)光譜兩端的高階色散部分)實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償,因此壓縮后的脈沖寬度無(wú)法完全接近傅里葉變換極限.本文通過(guò)兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了多通道相干合成技術(shù)可對(duì)充氣空心光纖展寬后的不同光譜成分分別開(kāi)展精細(xì)色散補(bǔ)償,獲得了4.1 fs的最短壓縮脈寬,而直接壓縮超倍頻程光譜只得到了5.3 fs的超短脈沖.可見(jiàn)進(jìn)一步將超寬光譜細(xì)分成多路后分別壓縮效果更佳.同時(shí),利用BOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了子脈沖之間的相對(duì)延時(shí)鎖定,20 min的鎖定精度小于80 as RMS,為將來(lái)利用高能量亞周期脈沖驅(qū)動(dòng)高次諧波和阿秒光源等方向做好了預(yù)研[17?20].