概要
超快光學領域的相關研究，建立在對光脈沖精确觀測、調控的技術基礎上；而每一台鎖模脈沖雷射器中，幾乎都能夠觀測到具有不同演化規律的脈沖。在本文所介紹的工作中，來自拜羅伊特大學和康斯坦茨大學的研究人員基于孤子及單腔雙梳的雷射器結構，驗證了雙梳雷射器諧振腔内孤子動力學行為及超短脈沖輸出模式的可程式設計調控，為新型全光延遲發生器的研制提供了思路。該工作最終以“Controlling intracavity dual-comb soliton motion in a single- fiber laser”為題，發表于Science Advances上。
單腔雙梳光源，搭建延時線的全新光源選項
作為20世紀最偉大的發明，雷射器的成功研制改變了光學和其他自然學科的發展脈絡，而皮秒、飛秒脈沖雷射器的問世，又叩開了超快光學的大門；可以說，近代以來人們對超短雷射脈沖序列的調控研究，構成了超快科學的基礎。作為對脈沖序列進行調控的最常見應用：延遲線，其設計往往需要引入機械結構，通過将一個脈沖序列分為兩束，并引入不同的光程差，來産生特定間隔的時延；而延遲線的掃描過程，對于快速采集及高靈敏度檢測等技術都有着較高的要求。
圖1 複雜龐大的機械延遲線結構設計
（圖源：complex matter）
通過引入微米量級精度的機械位移台，能夠在一定範圍内實作飛秒脈沖的延遲，但這種多機械件結合掃描探測的過程，會引入大量的時空複雜度，并可能增加整個延時系統的搭建成本。目前，通過外界泵浦功率調制等調控孤子運動的設想已被證明，但與孤子調控相關的實驗仍然在效率、速度以及可重複性等方面受到限制。在已有方案複雜度、高成本以及靈活性差的技術瓶頸下，研究人員開始尋找新的“平替”，而基于孤子實體學理論所設計的單腔雙梳雷射器，便成為了其中最有競争力的候選者。
圖2 單腔雙梳光源概念圖
(圖源：Universität Bayreuth）
基于方向、空間、偏振或是頻率複用的單腔雙梳光源，消除了延遲線設計中對于兩個獨立脈沖光源的需求，降低了技術複雜性。但單腔雙梳光源脈沖序列間的延遲會在往返過程中發生線性累積，并對整個脈沖的周期進行掃描；是以，在納秒範圍内的典型脈沖序列周期，意味着較長的延遲視窗，并将導緻皮秒、飛秒範圍内的超短間隔采集效率低下。在本文所介紹的工作中，來自德國拜羅伊特大學“超快動力學”研究小組組長Georg Herink教授，和其博士生Julia A. Lang，聯合康斯坦茨大學的Alfred Leitenstorfer教授及Sarah R. Hutter，提出了一種可程式設計調控的雙梳光源設計，展示了孤子動力學在合成延時序列方面的巨大潛力。
延遲靈活可調，雙梳光源需經此般匠心設計
在本文所介紹的工作中，該團隊研究人員采用了如圖3 (a) 所示的結構，通過在全光纖雷射器諧振腔中對兩個頻梳進行調制，來實作孤子延遲的快速調諧。在實際的光路搭建中，通過引入半導體可飽和吸收鏡 (SESAM)，該研究團隊在摻铒光纖雷射器中得到了二次諧波鎖模生成的兩種時延間隔的脈沖序列，雷射器的本征頻率為27 MHz；通過聲光調制器 (AOM) ，該團隊實作了對于腔内孤子動力學行為的控制（AOM的帶寬200 MHz，調制視窗短至10 ns）。而在雷射器輸出端，兩個脈沖序列又可以通過非對稱的馬赫-曾德幹涉結構進行組合，可調延時從0至本征周期的二分之一。在終端，通過引入實時示波器及光譜幹涉測量，對脈沖序列資訊進行了系統研究。
圖3 雙梳孤子腔内運動行為調控的概念與驗證：(a) 雙梳光纖雷射器與外部脈沖探測結構示意圖; (b) 一個孤子序列梳經AOM瞬态調制後實時運動軌迹; (c) 增加占空比對孤子延遲間隔的影響
在文章中，作者詳細介紹了孤子互相作用的實體模型，并用數值模拟證明了所觀測到的實驗結果。一般來說，該方法利用孤子強度與群速度之間的相關性；如圖4 (a) 所示， SESAM的引入，能夠在時間尺度上實作對脈沖包絡的不對稱整形，并可通過增加對脈沖前沿的吸收，更加有效地實作對脈沖間隔的調控。在該實驗所建構的光路中，由于延時偏移量與強度相關，是以兩個孤子之間的強度差異被轉換為時間偏移，即如圖4 (b) 所示。在實際模拟中，該團隊得到了每1%的強度差異，會使得兩束光在諧振腔中旋轉一圈時産生1 fs相對延時的結論。
圖4 通過飽和吸收對孤子幅值及時延耦合的解釋及模拟：(a) 飽和吸收引起脈沖的整形和時間偏移 (脈沖的初始中心由白色虛線表示); (b) 不同強度的序列會産生不同的時延間隔，導緻孤子發生相對運動；(c) 對強度調制下兩個諧波鎖模孤子運動的模拟
在雷射器穩定運作，控制功能順利實作的基礎上，該團隊研究人員提出利用孤子動力學來合成可程式設計、更複雜的自由孤子運動軌迹。如圖5所示，AOM的雙調制使孤子延時表現出“Z”字形運動。
圖5 通過自定義AOM的調制模式，實作任意延遲的輸出
最後，該團隊基于一個簡易馬赫-曾德幹涉儀結構，分離兩路雷射輸出，并在其中一臂中引入固定時延，使得兩脈沖序列在時域上精準重疊。而通過采用時間拉伸色散傅裡葉變換技術，該團隊實作了對于幹涉光譜的實時測量，如圖6。在固定調制強度下，增加掃描頻率，掃描範圍會減小。當掃描頻率為1 kHz 時，實作了12.5 ps間隔内的準線性掃描。
圖6 腔外探測結果 (a) 兩序列通過幹涉儀在腔外耦合示意圖； (b)~(d) 不同掃描速度下，脈沖間時延随圈數變化的關系
總結與展望
在本文所介紹的工作中，研究人員利用雷射器中SESAM的二次諧波鎖模并結合可程式設計AOM，通過調控脈沖強度，間接控制了兩交替脈沖序列間的延時，實作了對單腔雙梳光源内孤子運動的操控。該工作第一作者Lang談到：“兩個脈沖之間有着足夠的時間，可以通過雷射器内部的光學開關，對其施加單個‘幹擾’”，“這種‘腔内調制’會導緻脈沖速度發生變化，進而使得脈沖在時域上發生偏移”。Herink補充道：“我們的工作證明了大範圍内快速調整時延間隔，并實作可自由程式設計調控的雷射輸出模式。”可以确定的是，除了對孤子實體學理論的更新見解外，這項工作還将為超短脈沖的高效應用開辟全新可能。
文章連結：Controlling intracavity dual-comb soliton motion in a single-fiber laser | Science Advances
參考資訊：
[1] Ultra-short laser flashes on demand: Controllable light pulse pairs from a single-fiber laser (phys.org)
[2] Ultra-short laser flashes on demand - Innovations Report (innovations-report.com)
來自：雷射評論
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