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      【儀器使用技巧】DAZZLER,全世界的超快激光系統都在用!

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      摘要:

      超快激光,特別是飛秒激光由于其在時域和頻域的優良特性近年來在生物、化學、物理學等研究領域應用越來越廣泛,極短的脈沖寬度和豐富的頻譜成分使它備受科研工作者的青睞。然而“寶劍雖鋒,善舞不易”,一臺飛秒激光器往往只有固定的脈沖寬度和光譜形狀,難以完全匹配實驗中所需要的所有條件,使得昂貴的飛秒激光難以施展拳腳。如果有這樣一種儀器,能夠靈活改變飛秒脈沖的脈寬和光譜形狀,甚至把單個飛秒脈沖變成自定義的脈沖串,那么實用意義可以說是“非同凡響”了。

      下面就讓我們了解一下這款能夠讓飛秒激光物盡其用的利器——DAZZLER。


      1.   DAZZLER的起源和市場現狀

      DAZZLER本義為“炫光、閃光”,它實際上是聲光可編程色散濾波器(AOPDF, Acousto-opto ProgrammableDispersive Filter)商用產品的品牌名稱,目前大家也更習慣稱呼它為DAZZLER。AOPDF的概念由Pierre Tournois在1997年提出,隨后他和幾個合伙人一同創立了FASTLITE公司,并于2000年生產出第一臺DAZZLER商用產品。

      Pierre Tournois這個名字可能并沒有你想象的那么陌生,早在1964年Dr. Tournois就和F. Gires發明了大名鼎鼎的GTI鏡(Gires-TournoisInterferometer),GTI鏡目前已經成為各類超快激光器中最常見的用以補償色散的器件。不然你以為“GTI”的“T”是哪里來的?! 

      回到DAZZLER這款儀器來,它的名氣可能沒有GTI鏡那么大(畢竟年輕三十歲。。),但功能絕對是高大上,這款產品幾乎應用在歐洲所有主流的超快激光系統中, 同時成為Amplitude Technologies、Thales、FemtoLasers等知名激光公司產品中的標配,其小巧的體積和強大的功能為其贏得了用戶的廣泛好評。

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      圖一 DAZZLER的實物圖


      2. DAZZLER的功能

      2.1 超快放大器峰值功率的提升(關于CPA技術詳見公眾號往期文章《超快放大技術知多少?》)

      以鈦寶石飛秒放大器為例,為了獲得盡量窄的飛秒脈沖和高峰值功率輸出,在放大過程中需要注意兩個問題,一個是色散補償要精確,飛秒種子脈沖在展寬和放大后如果壓縮時色散補償不好,會導致脈沖變寬;另一個是CPA放大過程中會存在增益窄化效應,即放大過程中如果不采取相應措施,遠離中心波長的光譜成分將無法得到有效放大,造成脈沖的光譜變窄。壓縮效果差和光譜變窄都會導致脈沖的輸出脈寬不理想,造成激光輸出峰值功率不足。而DAZZLER正是為解決這兩個棘手問題而生。首先DAZZLER能夠定量補償各階色散(最高至四階),請注意,這意味著它能夠在不改變其它階色散的情況下自定義某一階色散的大小,目前還沒有任何一種結構或者材料能夠實現這一功能。而它通過靈活控制各階色散這種方式,能夠將脈沖的光譜相位補償的非常平滑,即你能夠將飛秒脈沖壓縮至接近傅里葉轉化極限脈寬,可以說“最短也就只有這么短了”。

      第二個問題DAZZLER同樣可以得心應手,為了解決放大過程中的光譜變窄問題,它可以對脈沖的光譜形狀進行預處理,比如將類高斯形狀的光譜調制為馬鞍型(中間低兩邊高),以抵消因增益曲線的邊際效應造成的光譜窄化。此外,DAZZLER還有針對OPCPA放大器優化的版本,主要功能體現在提高高階相位的補償精度,同時在放大過程中精確控制脈沖的寬度,同時由于OPCPA放大器對延時的精確要求,DAZZLER也具備超低時間抖動的設計。為了滿足一部分科研用戶對于CEP鎖定功能的需求,DAZZLER還可外設鎖定電路,對CEP信號進行精確閉環控制。


      2.2 多維光譜學應用

      當然DAZZLER的應用并不局限于超快激光放大領域,在一些利用超快激光作為泵浦探測工具的實驗中DAZZLER的另一功能就發揮作用了。DAZZLER能夠將單一的入射脈沖分隔為延時可調的脈沖對,

      脈沖對包含的兩個脈沖是相位鎖定的,同時你可以快速連續的對脈沖對間的延時進行調諧。這個功能適用的光譜范圍非常廣,從UV到MIR都可以工作。


      3.   DAZZLER的原理

      DAZZLER強大功能的背后伴隨著的是其巧妙的原理設計,下面我們就簡單了解一下,超快脈沖在DAZZLER的內部到底經歷了什么。首先我們可以將DAZZLER的工作過程概括為聲波和光波的相互作用,

      聲波和光波的相互作用機理[2]可以用下面的公式(1)(2)(3)表示。在時間域上,輸出的光波的電場是輸入光場和聲波長的卷積,在頻率域上,輸出光場是輸入光場和聲波場的乘積,并且入射光場、出射光場和聲波長滿足相位匹配(能量守恒、動量守恒)。聲光相互作用的理論背景可以參考Pierre Tournois在Optics Communications 上的文章[3]。

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      然后我們可以從超快(寬譜)激光的角度來理解AOPDF對入射激光的相位和幅度調制過程,入射激光各個頻率成分只有和其相位匹配的聲波才能發生最大效率相互作用。根據公式(3)可知,可以通過調制聲波場的相位和幅度來調制出射光場的光譜相位和幅度,這就代表了DAZZLER最基本的兩個功能:光譜相位優化(色散補償)和光譜形狀調制(抑制增益窄化)。


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      圖二 AOPDF壓縮脈沖寬度的示意圖


      如圖二所示,具有正啁啾的寬帶脈沖經過預先設置好的聲波場,長波(低頻)的成分首先被衍射,經歷的光程比較長,短波(高頻)的成分隨后被衍射,經歷的光程比較短,因此聲波場的作用相當于產生一個負啁啾,從而起到壓縮脈沖的作用。從實際超快激光系統的角度出發,很容易就可以聯想到,如果通過測量裝置得到整個激光系統的剩余色散(光譜相位畸變),然后將此色散的負值反饋到DAZZLER上可以將系統的色散調制成零,得到傅里葉轉換極限的脈沖。

      同樣的道理,也可以將系統的光譜窄化信息測量出來然后反饋到AOPDF上,得到最寬的光譜。此外,通過施加兩個或者多個相位固定和時間延時固定的聲波場,可以得到相位鎖定、延時固定的多個脈沖,這就是為光譜學研究提供了理想的工具。


      4. DAZZLER的安裝和調試技巧

      (1)DAZZLER初次安裝

      • 認真閱讀說明書所標稱的通光口徑,調節DAZZLR的位置,一般光斑應從通光口靠近底部1/3位置處通過,否則衍射光斑可能會有切光的現象出現(見圖三)。


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      圖三 DAZZLER通光口徑示意圖

      • 對于P偏振的入射光,DAZZLER應豎直放置。DAZZLER會改變入射光偏振態90°,故出射光變為S偏振。反之,對于S偏振的入射光,DAZZLER應水平放置。DAZZLER會改變入射光偏振態90°,故出射光變為S偏振。

      • 按照激光系統的要求連接DAZZLER控制器觸發信號。以1 kHz再生放大器為例;信號源輸出的1 kHz信號,觸發電平有一定要求,TTL信號要求3V以上電壓。如果使用的是舊版DAZZLER需要50歐姆阻抗匹配接頭,軟件才能正確識別重復頻率(新版不需要)。正常情況下L1燈應該呈綠色閃爍狀態。

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      圖四 DAZZLER電源控制器示意圖


      (2)同步信號設置

      • 同步設置的目的是保證入射激光和聲波光場的有效相互作用,也就是說光脈沖達到的時候聲波已經處于等待的狀態。打開DAZZLER軟件,首先點擊setup,進行Trigger and mode setting,這里要求外接的觸發信號與再生放大光導出時間之間的延時在1us 以內。軟件運算到實際控制需要一定提前量,約21us,可以在設置里微調。 


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      圖四 DAZZLER同步信號設置

      (3)波長校正

      • 由于相位匹配的影響和雙折射性質的存在,不同的聲光晶體角度對應不同的輸出光譜的中心波長(可參照非線性光參量放大過程來理解)。出廠時廠家已經做了相應的聲光場和輸出光譜之間的校準,在安裝的時候就是要回復這個校準。

      • 首先在DAZZLER的軟件中設置hole position,比如在800nm處。然后調節入射光進入DAZZLER的角度,會發現光譜會發生明顯的移動,仔細調節將光譜凹陷中心調到設置值800nm處即可固定。

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      圖五 DAZZLER軟件操作界面

      5.   注意事項

      • 輸出脈沖偏振和輸入偏振垂直,因此在設置光路的時候要注意選擇合適的偏振元件。

      • 嚴格按照廠家的要求確定輸入激光的能量和光斑尺寸。

      • 認真閱讀廠家的說明書,防止DAZZLER操作不當損傷激光系統,尤其是防止產生光譜切割的情況出現。


      6.   參考文獻

      [1] F. Gires and P. Tournois, “Interferometreutilisable pour la compression d'impulsions lumineuses modulees en frequence”,C. R. Acad. Sci. Paris 258, 6112 (1964)

      [2] Pierre Tournois, “Acousto-optic programmable dispersive filter for adaptive compensation of group delay time dispersion inlaser systems”, Optics Communications,Volume 140, Issues 4–6, 1997,Pages [3] F. Verluise, V. Laude, Z. Cheng, Ch.Spielmann, and P. Tournois, "Amplitude and phase control of ultrashortpulses by use of an acousto-optic programmable dispersive filter:?pulsecompression and shaping," Opt. Lett. 25, 575-577 (2000)



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