基于平衡光學互相關方法的超短脈沖激光相干合成技術?

黃沛方少波 黃杭東 侯洵 魏志義3)

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

2)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家研究中心,北京 100190)

3)(中國科學院大學,北京 100049)

(2018年10月15日收到;2018年11月17日收到修改稿)

相干合成技術是超快光學領域的重要研究方向之一.當單路脈沖激光的連續譜超過一個倍頻程時,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鍵.由于常見的脈沖壓縮系統存在光譜帶寬限制,因此多通道相干合成技術受到了廣泛的關注.本文將充氣空心光纖展寬后的超倍頻程連續光譜分波段獨立壓縮,并利用平衡光學互相關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.實驗結果表明相干合成技術在高能量亞周期超快光場調控中存在優勢.

1 引 言

產生脈沖寬度更短、峰值功率更高的脈沖激光,一直是激光科學研究最重要的前沿發展方向之一.由于受到激光增益介質和脈沖壓縮系統的帶寬限制,單路激光難以直接輸出單(亞)周期量級的超短脈沖.對于超倍頻程光譜,利用多通道相干合成技術[1?3],分波段單獨控制其光譜的振幅和相位,可較為靈活地實現單(亞)周期脈沖壓縮[4].近年來,美國斯坦福大學利用雙色合成光場驅動氘分子,利用其振動躍遷頻率產生拉曼邊帶.由于兩束激光脈沖的中心頻率差與氘分子的第一級振動躍遷頻率相近,實驗結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,控制其中部分波長的相位進行相干合成,產生了脈沖寬度為1.6 fs、脈沖間距為11 fs的超短光脈沖串[5,6].隨后,中國臺灣學者基于此方案分別調控5路諧波的振幅,相對延遲和載波包絡相位等參數,相干合成了具有多種波形特性的超短脈沖串[7,8].歐美等國的科學家們分別利用充氣空心光纖和光學參量啁啾脈沖放大(optical parametric chirped pulse amplification,OPCPA)技術,先后實現了高能量亞周期相干合成超短脈沖[9?12].由于OPCPA方案的光路長達數十米,放大壓縮系統相對復雜,特別需要精確控制各脈沖之間的相對延遲.在各種光路延遲鎖定技術中,平衡光學互相關(balanced optical cross-correlator,BOC)方法可以在公里量級的光路中實現阿秒量級的延遲鎖定,是實現高能量亞周期相干合成的關鍵技術之一[13,14].

本實驗首次將BOC技術與充氣空心光纖技術相結合,在超過一個倍頻程的光譜中,具體對比了直接壓縮全段光譜得到的超短脈沖和分波段獨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.實驗結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償后獲得的超短脈沖(5.3 fs),并利用BOC技術精確鎖定了兩子脈沖的相對延時,為下一步實現高能量相干合成系統奠定預研基礎.

2 實驗裝置及原理

超短脈沖既可以用時域E(t)來表達,也可以用頻域(ω)來描述,頻域(ω)可由時域E(t)傅里葉逆變換得到[15]

這里|(ω)|為光譜強度,φ(ω)為光譜相位. 由于E(t)為實函數,所以時域E(t)也可由頻域eE(ω)進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與時域上脈沖寬度τ不能相互獨立的變化,根據量子力學中的不確定性原理,存在一個時間帶寬積,其表達式為

也就是說當光譜帶寬?ω確定之后,脈沖時域寬度τ不小于2πcB/?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脈沖的超連續光譜通常超過一個倍頻程,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)完全補償.

實驗裝置如圖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,產生0.4 mJ的超倍頻程連續光譜(圖2中的黑色實線:450—950 nm).為了進行對比,實驗中設計了兩套脈沖壓縮系統.在壓縮器(1)中,空心光纖后的激光脈沖被雙色鏡分為兩個通道輸出(長波波段:650—950 nm,短波波段:450—750 nm).兩個通道分別利用兩組定制的啁啾鏡并配合尖劈對進行色散補償,再將獨立壓縮后的兩個子脈沖相干合成為一束激光輸出.利用BOC方法測量出兩個子脈沖的相對延遲信號,并將其作為反饋型號實時控制長波通道中的壓電陶瓷平移臺(PZT).在壓縮器(2)中,利用一組超寬帶啁啾鏡配合尖劈對進行全波段光譜的色散補償.最后利用瞬態光柵頻率分辨光學開關(transient-grating frequency-resolved optical gating,TG-FROG)裝置分別測量了兩類方案的壓縮效果[16].

圖1 實驗裝置圖(F,聚焦鏡;D,分束片;PZT,壓電陶瓷平移臺;BOC,平衡光學互相關;TG-FROG,瞬態光柵頻率分辨光學開關)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(實線,450—950 nm)以及分光后短波臂光譜(藍色點線,450—750 nm)和長波臂光譜(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

由于相干合成脈沖的波形非常依賴于子脈沖之間的相對相位(延時),這里重點討論利用BOC技術鎖定脈沖之間相對延時.實驗原理如圖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光部分的延時有顯著差別,主要體現在兩路參考光通過同樣參數的偏硼酸鋇(BBO)晶體時會產生兩個強度不同的和頻信號.只要相干合成子脈沖的相對延遲有微小的改變,其對應的兩路和頻信號強度差就會發生相應的變化.而作為BOC裝置中的核心元器件,平衡光電二極管探測器能將這些常規方法不易察覺的微小延遲抖動放大千萬倍.20 min鎖定結果如圖4所示,可以看出,鎖定時,子脈沖之前的相對延時抖動量優于80 as RMS,未鎖定時,子脈沖之前的相對延時抖動量大于200 as RMS.

圖3 BOC裝置原理示意圖以及掃描得到的時間-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延時Fig.4.Relative time delay drift measurements.

4 脈沖寬度測量結果

為了使對比實驗更有說服力,選擇測量特性與波長無關的TG-FROG.通過TG-FROG的測量結果可知,相干合成脈沖的時域寬度小于直接全波段光譜色散補償后獲得的超短脈沖.實驗中由于啁啾鏡每次反射引入的負色散是固定值,所以需要用一對連續可調的尖劈對來配合補償.

圖5 相干合成脈沖測量結果Fig.5.Pulse duration measurement of synthesized pulses.

圖6 空心光纖后直接壓縮結果Fig.6.Pulse duration measurement after hollow fiber.

圖7 直接壓縮方案結果對比相干合成方案結果Fig.7.Compressed pulses with/without coherent synthesis.

在壓縮器(1)中,最優化的壓縮結果是長波通道需要在長波啁啾鏡組(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,產生6.1 fs的脈沖.最后通過長波通道中的PZT優化兩束脈沖之間的相對延時,實現了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)配合尖劈對進行色散補償,當啁啾鏡往返反射4次時,壓縮脈寬最短為5.3 fs,如圖6所示.

對比以上兩組脈沖壓縮結果可知,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,可以針對各個波段色散量實現更有效的精細調節,獲得更短的脈沖.根據圖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,因此在整體色散補償方案設計時需要統籌兼顧,否則會影響到脈沖對比度和整體壓縮效率.本實驗中使用的啁啾鏡反射率大于99%,空心光纖系統后直接壓縮方案的能量損失約為5%.考慮到相干合成系統中使用的分(合)束鏡所產生的額外損失,當輸入功率為400 mW時,相干合成系統最終輸出為350 mW.通過優化分(合)束鏡和啁啾鏡反射率,壓縮系統整體的能量損失有望進一步降低.

5 結 論

本實驗直接用啁啾鏡對壓縮超倍頻程光譜時,壓縮系統難以對所有光譜成分(特別是連續光譜兩端的高階色散部分)實現有效補償,因此壓縮后的脈沖寬度無法完全接近傅里葉變換極限.本文通過兩個對比實驗,初步驗證了多通道相干合成技術可對充氣空心光纖展寬后的不同光譜成分分別開展精細色散補償,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.可見進一步將超寬光譜細分成多路后分別壓縮效果更佳.同時,利用BOC技術實現了子脈沖之間的相對延時鎖定,20 min的鎖定精度小于80 as RMS,為將來利用高能量亞周期脈沖驅動高次諧波和阿秒光源等方向做好了預研[17?20].