产生空间可塑GHz脉冲串成为现实！频谱穿梭机问世

2024-02-22 09:40

众所周知，超短脉冲的时空整形，对于诸如千兆赫兹区域内对激光烧蚀和先进的超快摄影进行时空控制等各种技术来说至关重要。然而，要将脉冲拉伸到亚纳秒间隔以及独立控制每个脉冲空间轮廓的难度无疑是极大的，相应的也限制了其发展。

近日，日本研究员推出了一种新的光学技术，能够产生具有单独颜色和形状的千兆赫重复脉冲，具备潜在的超快成像和激光加工应用。

由东京大学和埼玉大学的研究团队创造的光学“光谱穿梭”技术，可以同时产生千兆赫（GHz）猝发脉冲，间隔为－0．01ns至－10ns，并可定制其空间轮廓。可以理解为，这项脉冲操纵技术能从单个超短脉冲产生光谱分离的GHz脉冲串，其中每个脉冲在空间上都是可塑的。

早期的方法是，基于光纤或大型反射镜的技术，但这都存在非预期非线性效应或光学效率较低的问题，同时由于猝发脉冲的脉冲间隔太短，电动设备无法对每个脉冲的空间轮廓进行独立操控。而此次的研究重点是产生间隔为几十皮秒到纳秒的猝发脉冲。虽然这些时间尺度对于超快过程非常重要，但却缺乏产生这种脉冲的技术。

频谱穿梭器

为了克服上述困难，研究人员创造了一种频谱穿梭器，它可以从超短脉冲中产生 GHz 脉冲串。该光学系统结合了传统反射镜、衍射光栅和空间光调制器，但采用了独特的三维光路排列设计。

工作原理：单个超短脉冲通过两个衍射光栅水平分散，并通过一对平行镜在空间上分离成不同的波长。这些分离的、垂直排列的脉冲获得的时间延迟与在平行镜内往返的次数相对应。然后，分离的脉冲在空间光调制器的不同区域进行调制，并沿着原始光路返回。这些过程可产生波长各异、空间轮廓形状独特的GHz脉冲串。

具体演示过程

研究团队演示了在800nm和400nm波段产生间隔为0．1至3ns的脉冲串，通过移动峰值位置或逐个脉冲分割其峰值脉冲，分别对连续的 GHz 突发脉冲进行空间整形，并将其应用于激光烧蚀动态的超快单次透射光谱成像（4 Gfps）和双色顺序定时全光映射摄影。此外，研究团队还展示了包含移位脉冲或双峰脉冲的脉冲串的产生，作为 GHz 脉冲串单独空间整形的实例。我们提出的技术为 GHz 脉冲猝发带来了前所未有的时空操控，可用于广泛的激光应用。

即使使用通用光学元件，通过将光学设置的设计扩展到3D光学配置，研究团队仍然创建了一种新的光学系统，使其能够产生和整形GHz猝发脉冲。通过频谱穿梭机配置实现的全光学操纵，克服了电子设备响应速度慢，无法操纵GHz猝发脉冲等问题，同时满足这两个功能。

广泛的应用场景

光谱穿梭方法为超快摄影技术的突破打开了大门，这对于探索亚纳秒到纳秒级的快速现象至关重要，它有可能彻底改变许多工业应用中监测快速过程的方式。

不仅如此，能够单独形成GHz猝发脉冲，也为精密激光加工（尤其是半导体和金属加工）开辟了新的可能性，并为优化医疗应用中的激光手术带来了重大希望。

目前，研究团队声称计划将这项技术应用于生物材料的激光加工和激光手术。对生物材料和生物组织等非均质材料进行激光照射，会诱发复杂且不可重现的过程。预计光谱穿梭机产生时空可调猝发脉冲的能力及其应用于单次超快成像的能力，将有助于开发和改进生物医学领域的激光技术。