導讀：

 據(jù)悉，脈沖激光源的各種應用依賴于產(chǎn)生一系列脈沖對的能力，脈沖對之間的延遲逐步增加。以高精度實現(xiàn)這種光學延遲掃描是要求的，特別是對于長延遲。為了應對這一挑戰(zhàn)，ETH物理學家開發(fā)了一種多功能的“雙梳”激光器，它將寬掃描范圍與高功率、低噪聲、穩(wěn)定操作和易于使用相結合，從而為實際應用提供了光明的前景。

Keller小組開發(fā)的緊湊型單腔雙梳激光系統(tǒng)。來源：ETH Zurich/D-PHYS Benjamin Willenberg

超快激光技術為精確測量提供了大量方法。包括一類廣泛的脈沖激光實驗，其中樣品被激發(fā)，在一段可變的時間后，測量響應。在此類研究中，兩個脈沖之間的延遲通常應涵蓋從飛秒到納秒的范圍。

在實踐中，以可重復和精確的方式在如此寬的范圍內掃描延遲時間是一項重大挑戰(zhàn)。Institute for Quantum Electronics的Ursula Keller教授團隊的研究人員，在Justinas Pupeikis博士、Benjamin Willenberg博士和Christopher Phillips博士的主要貢獻下，已經(jīng)朝著一個解決方案邁出了重大一步，該解決方案有可能成為廣泛。

他們最近在《Optica》雜志上發(fā)表文章，介紹并展示了一種多功能激光器設計，該設計既能提供出色的規(guī)格，又能提供穩(wěn)定運行數(shù)小時的低復雜度設置。

（a）腔體布局。（b）激光輸出功率和脈沖持續(xù)時間演變與泵浦總功率的關系。

漫長的延遲之路

掃描光學延遲的概念上最簡單的解決方案是基于激光器，其輸出被分成兩個脈沖。當其中一個脈沖沿固定路線到達目標時，第二個脈沖的光路隨線性位移鏡而變化。反射鏡之間的路徑越長，激光脈沖到達目標的時間越晚，相對于第一個脈沖的延遲越長。

然而，問題是，光以眾所周知的高速傳播，在空氣中的傳播速度約為0.3米/納秒。對于機械延遲線，這意味著掃描延遲達數(shù)納秒需要具有復雜且通常緩慢機械結構的大型設備。

避免這種復雜結構的一個優(yōu)雅的方法是使用一對超短脈沖激光器，它們以稍微不同的重復率發(fā)射脈沖串。例如，如果從每個激光器發(fā)出的第一脈沖完全同步，那么第二對脈沖之間的延遲對應于兩個激光器的重復時間差。

（a）使用信號源分析儀測量的每個單獨脈沖串的絕對（紅色和藍色）定時噪聲。使用補充1中描述的多外差測量測量的兩個脈沖串之間的相對定時抖動（黑色）。（b）通過積分定時噪聲曲線獲得的定時抖動。

下一對脈沖之間的延遲是它們的兩倍，以此類推。這樣，至少在理論上，可以在沒有移動部件的情況下對光學延遲進行完美的線性快速掃描。根據(jù)由一對光學頻率梳組成的輸出的光譜結構，產(chǎn)生兩個這樣的脈沖串的激光系統(tǒng)的最精細類型被稱為雙梳。

盡管雙梳方法的前景早已明朗，但在設計一個易于部署的激光系統(tǒng)方面的挑戰(zhàn)阻礙了應用的進展，該系統(tǒng)提供兩個同時運行的梳，具有所需的質量和較高的相對穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，Pupeikis等人在這種實用激光器方面取得了突破，關鍵是在同一激光腔中產(chǎn)生兩個頻率梳的新方法。

（a）用光譜分析儀測量的對數(shù)標度激光輸出光譜。（b）用微波頻譜分析儀分析快速光電二極管產(chǎn)生的光電流的歸一化功率譜密度。插圖顯示放大兩個射頻梳的一次諧波。（c）重復率差與雙棱鏡橫向位置的關系，使用皮動器（Newport）。來源：Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.457787

二合一

研究人員手頭的任務是構建一個激光源，該激光源由兩個相干光脈沖序列組成，除了重復率的重要差異之外，它們在所有特性上基本相同。實現(xiàn)這一點的自然途徑是在同一激光腔中創(chuàng)建兩個梳狀物。

過去已經(jīng)介紹了用于實現(xiàn)這種激光腔復用的各種方法。但這些通常需要在空腔內放置額外的部件。這為兩個梳狀物引入了損耗和不同的色散特性，以及其他問題。ETH物理學家克服了這些問題，同時仍確保兩個梳子共享腔內的所有組件。

每個梳的相對強度噪聲譜。根據(jù)光電二極管規(guī)格和輸入功率計算散粒噪聲限值。

他們通過在腔中插入“雙棱鏡”來實現(xiàn)這一點，這是一種在反射光的表面上具有兩個不同角度的裝置。雙棱鏡將腔模式分為兩部分，研究人員表明，通過適當?shù)墓鈱W腔設計，兩個梳狀物可以在有源腔內組件上空間分離，而在其他情況下仍然采用非常相似的路徑。

這里的“有源元件”指的是產(chǎn)生激光的增益介質，以及所謂的SESAM（半導體可飽和吸收鏡）元件，它可以實現(xiàn)模式鎖定和脈沖產(chǎn)生。這些階段模式的空間分離意味著可以產(chǎn)生具有不同間距的兩個梳狀，而大多數(shù)其他特性基本上是重復的。特別地，兩個梳狀物具有高度相關的定時噪聲。

也就是說，雖然時間梳狀結構中的缺陷不可避免地存在，但對于兩個梳狀結構來說，它們幾乎相同，從而有可能處理這種噪聲。

通往實際應用的大門

現(xiàn)在介紹的新型單腔結構的一個突出特點是，它不需要在激光器設計中做出妥協(xié)。相反，對于單梳操作最佳的腔結構可以容易地適用于雙梳使用。由此，新設計也代表了相對于商業(yè)產(chǎn)品的重大簡化，并為這類新型超快激光源的生產(chǎn)和部署開辟了一條道路。

在第一次演示中實現(xiàn)的基準非常令人鼓舞。研究人員以高達500Hz的速率掃描了12.5ns的光學延遲（相當于在空氣中3.75米的距離），掃描精度為2-fs（物理距離小于1微米），單腔雙梳激光器具有創(chuàng)紀錄的高穩(wěn)定性。

（a）具有兩個光學互相關器（XCORR）的多色等效時間采樣設置。（b）長期重復率差Δ