據(jù)悉，雙光學(xué)頻率梳由于其高光譜和時間分辨率，高掃描速度以及無移動部件，因此是許多光學(xué)測量技術(shù)的理想解決方案。然而，由于高成本因素和復(fù)雜的實驗裝置，這種系統(tǒng)在工業(yè)和現(xiàn)場可部署應(yīng)用方面受到限制，因此通常使用一對鎖定的飛秒激光器來解決。來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子研究所物理系開發(fā)出一種新方法實現(xiàn)了由單個激光器來創(chuàng)建兩個發(fā)射高功率飛秒脈沖的高功率光學(xué)頻率梳，為便攜式雙梳狀光源在光譜學(xué)和精確距離測量等應(yīng)用領(lǐng)域鋪平了道路。

在過去的四十年中，超短脈沖激光器使超快采樣技術(shù)得以持續(xù)發(fā)展。將快速且具有周期性的信號與超短光脈沖混合的泵浦探針測量因此也得以廣泛使用。通過掃描飛秒光脈沖相對于周期信號的延遲，可以確定信號的時間輪廓。這種方法有時被稱為等效時間采樣，取決于兩個特性：實現(xiàn)光學(xué)延遲精確變化的能力，以及使用具有快速響應(yīng)時間的混合過程。因為電光效應(yīng)顯示出超快的響應(yīng)時間，實現(xiàn)光學(xué)延遲精確變化通過使用電光采樣在早期的研究中得到了解決，而傳統(tǒng)方法是通過機械延遲線來解決的。頻率梳技術(shù)的出現(xiàn)，特別是使用一對脈沖重復(fù)率差異很小的雙梳光譜學(xué)，已經(jīng)使光學(xué)測量技術(shù)發(fā)生了革命。雙梳在時間和頻率上提供超高的分辨率，并且它們提供了完美的線性光學(xué)延遲掃描，沒有移動部件，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機械掃描儀的能力。這種雙梳激光源已被廣泛用于光學(xué)傳感測量，包括高分辨率時域光譜學(xué)、電光采樣光譜學(xué)、通過異步光學(xué)采樣的高速泵浦探針測量以及快速和精確的光學(xué)測距。

傳統(tǒng)上，雙梳系統(tǒng)基于來自兩個不同鎖模激光器的一對獨立穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳。這種方法已經(jīng)在許多平臺上成功實現(xiàn)，包括電子鎖定光纖梳、固態(tài)鈦：寶石激光器、微諧振器梳和通過單個激光輸出調(diào)制的電光梳。然而，與單獨的一對頻率梳以及相關(guān)的鎖定電子器件相關(guān)的復(fù)雜性和成本對開發(fā)基于這些系統(tǒng)的應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn)。因此，在最近幾年中，許多研究團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)了通過由單個激光振蕩器產(chǎn)生相互相干的梳來降低復(fù)雜度的解決方案。來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的本杰明·威倫貝格(Benjamin Willenberg)在10月13日至16日舉行的線上2020 OSA激光大會上展示這種新方法。該方法展示將于美國東部時間10月16日星期五上午8:30舉行。

在這項研究中，研究人員將兩個45°雙折射晶體插入激光腔，這在腔的兩個偏振態(tài)之間引入了重復(fù)率差異。為了同時鎖模兩個梳，他們使用了半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)。研究人員首次將這種雙折射晶體偏振復(fù)用技術(shù)與二極管泵浦的固態(tài)激光晶體相結(jié)合。所使用的Yb:CaF2增益晶體具有出色的熱性能和寬廣的發(fā)射光譜，因此能夠產(chǎn)生高功率飛秒脈沖。

圖解：(a)通過Yb:CaF2增益晶體(G)和SESAM上的兩個雙折射方解石晶體(BF1 and BF2)進(jìn)行偏振復(fù)用的兩個梳子同時鎖模操作的激光腔示意圖。激光通過輸出耦合器(OC)進(jìn)行泵浦，并通過二向色鏡(DM)將激光束與泵浦光束分離。(b)展示出了增益晶體中激光模式的分裂，(c)示出了通過BF2的旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)重復(fù)率差 Δfrep。(d)顯示了SESAM設(shè)備上兩個在空間上分開的腔內(nèi)激光光斑。

由于新設(shè)計使用單個光腔創(chuàng)建兩個頻率梳狀激光器，因此可以開發(fā)更緊湊的雙梳狀結(jié)構(gòu)，從而在功率、波長、帶寬和脈沖重復(fù)頻率方面提供靈活性。

通過新的設(shè)置，研究人員在兩個1050 nm光束中獲得了175飛秒的持續(xù)時間和440 mW的脈沖，重復(fù)頻率差為1 kHz。他們通過使用激光通過異步光學(xué)采樣對半導(dǎo)體材料執(zhí)行低噪聲測量，證明了重復(fù)率差異的穩(wěn)定性。這涉及使用超快脈沖來觸發(fā)反應(yīng)，以及使用第二個脈沖來測量誘發(fā)的變化。

圖解：(a)兩個梳同時運行的鎖模性能。指示的泵浦功率在兩種激光模式之間平均分配。(b)激光器以基模工作，兩束光束的光束質(zhì)量M2<1.05。光束形狀記錄在振蕩器的輸出端(輸出耦合器的放大圖像)，在激光器的標(biāo)稱工作點，在WinCamD-LCM-NE 1”光束輪廓儀上，泵浦電流約為3.7A�？偙闷止β蕿�7.8瓦，每個梳的平均輸出功率為440毫瓦。

為了演示激光器在應(yīng)用中的實用性，研究人員使用自由運行的激光器系統(tǒng)對半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)執(zhí)行了異步光學(xué)采樣（ASOPS），揭示了從飛秒到納秒級的時間動態(tài)。

圖解：(a)反射結(jié)構(gòu)中樣品的異步光學(xué)取樣或等效時間取樣裝置。數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號通過兩個梳之間的和頻產(chǎn)生(SFG)獲得。L1 - 100毫米焦距透鏡，L2 - 25毫米焦距非球面透鏡。PD1放大光電二極管(PDA55，Thorlabs公司)，PD2放大光電二極管(PDA10D2，Thorlabs公司)。HWP -半波片，PBS -偏振分束器。(b)使用重復(fù)率略有不同的兩個脈沖序列的ASOPS測量技術(shù)說明。

這項技術(shù)的下一步包括開發(fā)堅固耐用的便攜式原型系統(tǒng)，演示科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用，擴展到更高的功率和更高的重復(fù)率以實現(xiàn)更快的測量，以及建立將激光器商業(yè)化的渠道。

本文來源：https://doi.org/10.1364/OE.403072