第42卷袁第2期2005年2月Vol.42,No.2Feb.2005激光与光电子学进展
1引言在过去的短短30年间袁超短激光脉冲从产生到应用体现出日新月异的发展趋势遥超短脉冲技术是物理学尧化学尧生物学尧光电子学以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段遥1999年美国加州理工大学Zewail教授由于在飞秒激光化学领域的突出贡献而获诺贝尔化学奖[1袁2]遥飞秒激光脉冲是目前人
类所能获得的最短的一个时间间隔袁因此飞秒激光脉冲的测量和控制不可能指望通过另一个更快的其它的物理效应来实现袁需要独特
专门的测量技术遥时空变换脉冲整形技术是一种简便适用尧行之有效的实现时域整形的方法袁能得到不同时间分布的脉冲遥时空变换就是将时域信息变换到空域袁通过空域的处理再返回到时域袁以实现飞秒激光脉冲整形尧测量和控制遥在应用方面袁可产生各种所需要的波形,应用在信号处理和量子系统的连续控制尧安全通讯尧存储尧医学和生物学成像尧化学和物理等方面遥例如2003年SCIENCE上报道了利用时空变换飞秒脉冲整形技术产生的激发光场照在水晶样品上袁产生了太赫兹的晶格振动波[3]曰整形的飞秒脉冲作为新的反应物来改变分子分解和重排的过程[4]曰整形
的飞秒脉冲装置建立一个共线的三脉冲序列袁用于两维光谱中的核磁共振[5,6]等遥这些报道的共同特点是都运用了飞秒脉冲时空变换整形技术来控制超短脉冲的形状尧存储和恢复探测脉冲形状袁其中飞秒脉冲整形技术发挥了不可替代的巨大作用遥最成功地广泛应用的脉冲整形方法是采用时空变换技术的空间光调制器(SLM)[7]尧声光调制器
(AOM)[8]尧移动镜(MM)[9]
尧变形镜
(DM)[10]尧光谱全息[11]等袁它们都是
收稿日期:2004-07-16曰收到修改稿日期院2004-09-17基金资助院国家杰出青年基金(60125512)资助课题遥
强光光学
提要飞秒激光脉冲通过时空变换技术将时域信息变换到空域袁通过空域的处理再返回到时域袁是实现飞秒激光脉冲整形尧测量和控制的一项重要技术遥在应用方面袁可产生各种所需要的波形袁已广泛应用在飞秒化学尧信号处理尧安全通信尧生物学和医学成像等方面遥介绍了飞秒时空变换脉冲整形的几种方法遥关键词飞秒脉冲整形时空变换空间光调制器变形镜移动镜
FemtosecondPulseShapingwithSpace-timeConversionTechniqueZOUHuaZHOUChanghe(LaboratoryofInformationOptics,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai201800)
AbstractThetemporalpulseshapeisgivenbyFouriertransformofspatialpatterntransferredfromthephaseandamplitudemasksontothespectrum.Bychangingthespectrumandthephaseofanultrafastpulseinspace,therecombinedlaserpulsehascontrollabletemporalshapeintime.Theshapedultrafastpulsegenerationandcharacterizationhavebeenappliedinthestudiesofultrashortpulsecodedivisionmultipleaccess(CDMA)communications,imageprocessinginbiomedicine,femtosecondchemistryetc.Somemethodsoffemtosecondpulseshapingfortime-to-spaceconversionofultrafastopticalwaveformsaresummarized.Keywordsfemtosecondpulseshapingspace-timeconversionspatiallightmodulatormovingmirrordeformablemirror
飞秒脉冲时空变换整形技术邹华周常河(中国科学院上海光学精密机械研究所袁上海201800)
2第42卷袁第2期2005年2月激光与光电子学进展Vol.42,No.2Feb.2005
用来控制飞秒脉冲扩散光谱成份的位相和振幅遥最早介绍各种各样脉冲整形技术的综述文章是1983年Froehly发表的皮秒脉冲论文[12]遥
美国普渡大学Weiner在此领域进行了大量的工作袁发表了很好的综述论文[7袁13]遥本文主要介绍当今用于
飞秒脉冲时空变换整形的几种技术袁具体内容包括空间光调制器(SLM)尧声光调制器(AOM)尧移动镜
(MM)尧变形镜(DM)时空变换等袁有
关光谱全息和飞秒时空变换整形技术的应用在另一篇文章中介绍[14]遥
2飞秒脉冲时空变换整形技术2.1基本原理我们所介绍的飞秒脉冲整形的方法是建立在线性尧时间不变的滤波器的基础上遥线性滤波可在时域描述袁也可在频域描述遥如图1所示袁在时域中袁滤波器可用脉冲响应函数h(t)表示其特性袁滤波器的输出eout(t)可由输入脉冲ein
(t)和
h(t)的卷积表示eout(t)=ein(t)*h(t)
=乙dt忆ein(t忆)h(t-t忆)(1)如果输入脉冲是d函数袁则输出仅仅是h(t)遥因此对于足够短的输入脉冲产生特定的输出脉冲形状袁相当于制造一个包含有所希望的脉冲响应的线性滤波器问题遥在频域袁滤波器可由频率响应H(w)表示其特性袁线性滤波器的输
出Eout(w)是输入信号Ein
(w)和频率
响应H(w)的积袁即Eout(w)=Ein(w)H(w)(2)
这里ein(t)尧eout(t)尧h(t)和Ein
(w)尧
Eout(w)尧H(w)分别是傅里叶变换
对袁即H(w)=乙
dth(t)exp(-iwt)(3)
h(t)=12p
乙
dwH(w)exp(iwt)(4)
对于一个d函数的输入脉冲袁输入光谱Ein(w)是不变的袁输出光谱等于滤波器的频率响应遥因此袁由于傅里叶变换关系袁所希望的输出波形的产生可由带有所希望的频率响应的滤波器来实现袁脉冲整形的方法都是由这种频率域观点来描述的遥2.2基本的时空变换脉冲整形装置飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的袁所需要的输出波形可由滤波实现遥图2是脉冲整形的基本装置袁它是由一对衍射光栅尧透镜和一个脉冲整形模板组成的4f系统遥超短激光脉冲照射到光栅和透镜上被色散成各个光频成份遥在两透镜的中间位置上插入一块空间模式的模板或可编程的空间光调制器袁目的是调制空间色散的各光频成份的振幅和位相遥光栅和透镜看作是零色散脉冲压缩结构遥超短脉冲中的各光频成份由第一个衍射光栅角色散袁然后在第一个透镜的焦平面聚焦成一个小的尧衍射有限的光斑遥这里的各光频成份在一维方向上空间分离袁在光栅上从不同角度散开袁在第一个透镜的后焦平面上进行了空间分离袁第一个透镜实现了一次傅里叶变换遥第二个透镜和光栅把这些分离的所有频率成份重新组合成一个简单的相互碰撞的光束袁这样就得到了一个整形输出脉冲袁这个输出脉冲的形状由光谱面上模板的模式给出遥第一个透镜实现第一个光栅平面和模板平面的傅里叶变换曰第二个透镜实现模板平面和第二个光栅平面的傅里叶变换遥这两个连续的傅里叶变换的效应是院如果没有脉冲整形模板袁输入脉冲穿过这个系统时是不变的遥这里要满足零色散的条件袁透镜应是较薄的尧无色差的遥参考文献[15]已报道观察到了零色散压缩无失真的脉冲遥在图2实验装置中袁如果用反射式球面镜代替透镜就可以避免这些问题袁得到无色散的过程遥空间模板已证实可用许多技术制成袁最初飞秒脉冲整形装置中袁用的是微光刻术制造的位相和振幅模板[15]遥现在袁人们都聚焦在可
编程的空间光调制器上袁其允许在毫秒重复编程的时间内用计算机控制模板模式遥可编程的脉冲整形
图1线性滤波器的脉冲整形[7]遥(a)时域曰(b)空域图2飞秒脉冲整形装置[12]
3第42卷袁第2期2005年2月Vol.42,No.2Feb.2005激光与光电子学进展
第一次证实用的是一维液晶位相调制器阵列袁有128个调制像素和毫秒的可编程时间[16]遥较快的液晶调制器允许100ms重复编程时间的二元光谱位相调制[17]遥声光调制器作为可编程模板的脉冲整形也已得到证实[18]遥光电调制器阵列用于脉冲整形模板有很大的潜力袁低于纳秒重复编程时间适合用于通讯和信息处理遥GaAs多量子阱调制器在脉冲整形装置中把输入脉冲光谱切成许多分离波长信道袁用于波长分隔多路传输光通信遥移动镜尧变形镜和全息图的脉冲整形也有报道遥图2所示的装置最早是由Froehly提出的[12],完成了30ps脉宽的脉冲整形试验遥后来由Weiner等人采用,对100fs时间尺度的脉冲进行操作遥开始用的是固定的脉冲整形模板[15],后来用可编程的空间光调制器[16袁19]遥他们对此装置做了很小的修改,即用反射式球面镜代替透镜已成功证实在10~20fs时间尺度的输入脉冲的整形操作[15]遥图2的装置也可通过改变光栅与透镜的距离来用于研究脉冲展宽和压缩的色散问题遥这种想法是由Martinez提出的袁现已被广泛应用于高功率飞秒啁啾脉冲放大器遥3时空变换脉冲整形的类型3.1固定位相板的脉冲整形最早的飞秒脉冲整形用的是固定的位相模板袁它能提供极好的脉冲整形质量袁应用在非线性光学尧光纤通信尧超快光谱学的实验中遥其缺点是不易提供连续的位相变化袁所以每个实验必须制造新的模板遥Weiner用固定的振幅和位相模板实现了时空变换的脉冲整形[15袁20袁21]遥仅位相滤波器优点是无损耗遥在许多应用中袁往往只需要输出脉冲的仅时间强度轮廓袁这大大增加了滤波器设计的自由度袁特别是设计的仅位相滤波器能产生所希望的时间强度轮廓图遥一个重要的例子是产生高质量脉冲群[22袁23]袁平顶的脉冲群可以用Dammann光栅的滤波器产生[24~26]遥3.2可编程液晶空间光调制器的脉冲整形渊LCSLM冤脉冲整形采用固定位相模板的缺点是不易提供连续的位相改变袁而可编程的空间光调制器能提供连续较好的位相改变遥液晶调制器阵列早先用在脉冲整形中的仅位相或振幅操作遥现在液晶空间调制器包括电子编址和光学编址等遥与用固定的位相模板来产生所需的脉冲形状相比袁其主要区别是固定的位相模板由LCSLM和一对用于旋转极化的半波片代替遥LC阵列可对每一个分离像素进行连续可变位相控制渊而固定位相模板仅提供二元位相调制冤袁允许在毫秒时间尺度上的脉冲形状作可编程控制遥电子编址包括灰度级位相控制和铁电液晶等袁光学编址的LCSLM作为液晶光阀的脉冲整形近来已有报道[27]遥液晶光阀由两个连续且透明的电极与一个盘绕的向列性液晶和光敏Bi12SiO20(BSO)的连续层组成袁可避免脉冲整形SLM的像素化遥光阀的控制比早期讨论的电子编址的SLM更复杂遥图3给出一种新的折叠式的脉冲整形装置[28袁29]袁它是一个可编