苏黎世联邦理工学院成功研发飞秒双梳Yb: CaF 2激光器

据悉，双光学频率梳由于其高光谱和时间分辨率，高扫描速度以及无移动部件，因此是许多光学测量技术的理想解决方案。然而，由于高成本因素和复杂的实验装置，这种系统在工业和现场可部署应用方面受到限制，因此通常使用一对锁定的飞秒激光器来解决。来自瑞士苏黎世联邦理工学院量子电子研究所物理系开发出一种新方法实现了由单个激光器来创建两个发射高功率飞秒脉冲的高功率光学频率梳，为便携式双梳状光源在光谱学和精确距离测量等应用领域铺平了道路。

在过去的四十年中，超短脉冲激光器使超快采样技术得以持续发展。将快速且具有周期性的信号与超短光脉冲混合的泵浦探针测量因此也得以广泛使用。通过扫描飞秒光脉冲相对于周期信号的延迟，可以确定信号的时间轮廓。这种方法有时被称为等效时间采样，取决于两个特性：实现光学延迟精确变化的能力，以及使用具有快速响应时间的混合过程。因为电光效应显示出超快的响应时间，实现光学延迟精确变化通过使用电光采样在早期的研究中得到了解决，而传统方法是通过机械延迟线来解决的。频率梳技术的出现，特别是使用一对脉冲重复率差异很小的双梳光谱学，已经使光学测量技术发生了革命。双梳在时间和频率上提供超高的分辨率，并且它们提供了完美的线性光学延迟扫描，没有移动部件，速度远远超过机械扫描仪的能力。这种双梳激光源已被广泛用于光学传感测量，包括高分辨率时域光谱学、电光采样光谱学、通过异步光学采样的高速泵浦探针测量以及快速和精确的光学测距。

传统上，双梳系统基于来自两个不同锁模激光器的一对独立稳定的光学频率梳。这种方法已经在许多平台上成功实现，包括电子锁定光纤梳、固态钛：宝石激光器、微谐振器梳和通过单个激光输出调制的电光梳。然而，与单独的一对频率梳以及相关的锁定电子器件相关的复杂性和成本对开发基于这些系统的应用提出了重大挑战。因此，在最近几年中，许多研究团队已经开发了通过由单个激光振荡器产生相互相干的梳来降低复杂度的解决方案。来自瑞士苏黎世联邦理工学院的本杰明·威伦贝格(Benjamin Willenberg)在10月13日至16日举行的线上2020 OSA激光大会上展示这种新方法。该方法展示将于美国东部时间10月16日星期五上午8:30举行。

在这项研究中，研究人员将两个45°双折射晶体插入激光腔，这在腔的两个偏振态之间引入了重复率差异。为了同时锁模两个梳，他们使用了半导体可饱和吸收镜(SESAM)。研究人员首次将这种双折射晶体偏振复用技术与二极管泵浦的固态激光晶体相结合。所使用的Yb:CaF2增益晶体具有出色的热性能和宽广的发射光谱，因此能够产生高功率飞秒脉冲。

图解：(a)通过Yb:CaF2增益晶体(G)和SESAM上的两个双折射方解石晶体(BF1 and BF2)进行偏振复用的两个梳子同时锁模操作的激光腔示意图。激光通过输出耦合器(OC)进行泵浦，并通过二向色镜(DM)将激光束与泵浦光束分离。(b)展示出了增益晶体中激光模式的分裂，(c)示出了通过BF2的旋转来调节重复率差 Δfrep。(d)显示了SESAM设备上两个在空间上分开的腔内激光光斑。

由于新设计使用单个光腔创建两个频率梳状激光器，因此可以开发更紧凑的双梳状结构，从而在功率、波长、带宽和脉冲重复频率方面提供灵活性。

通过新的设置，研究人员在两个1050 nm光束中获得了175飞秒的持续时间和440 mW的脉冲，重复频率差为1 kHz。他们通过使用激光通过异步光学采样对半导体材料执行低噪声测量，证明了重复率差异的稳定性。这涉及使用超快脉冲来触发反应，以及使用第二个脉冲来测量诱发的变化。

图解：(a)两个梳同时运行的锁模性能。指示的泵浦功率在两种激光模式之间平均分配。(b)激光器以基模工作，两束光束的光束质量M2<1.05。光束形状记录在振荡器的输出端(输出耦合器的放大图像)，在激光器的标称工作点，在WinCamD-LCM-NE 1”光束轮廓仪上，泵浦电流约为3.7A。总泵浦功率为7.8瓦，每个梳的平均输出功率为440毫瓦。

为了演示激光器在应用中的实用性，研究人员使用自由运行的激光器系统对半导体薄膜结构执行了异步光学采样（ASOPS），揭示了从飞秒到纳秒级的时间动态。

图解：(a)反射结构中样品的异步光学取样或等效时间取样装置。数据采集的触发信号通过两个梳之间的和频产生(SFG)获得。L1 - 100毫米焦距透镜，L2 - 25毫米焦距非球面透镜。PD1放大光电二极管(PDA55，Thorlabs公司)，PD2放大光电二极管(PDA10D2，Thorlabs公司)。HWP -半波片，PBS -偏振分束器。(b)使用重复率略有不同的两个脉冲序列的ASOPS测量技术说明。

这项技术的下一步包括开发坚固耐用的便携式原型系统，演示科学和工业应用，扩展到更高的功率和更高的重复率以实现更快的测量，以及建立将激光器商业化的渠道。

本文来源：https://doi.org/10.1364/OE.403072