超快飛秒光學(xué)新工具！單腔雙光梳的泵浦探測(cè)應(yīng)用前景

介紹

單腔雙光梳技術(shù)是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域備受矚目的研究方向之一。這項(xiàng)技術(shù)不僅在光譜分析、激光測(cè)距、厚膜檢測(cè)、泵浦探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，還為研究精密光譜學(xué)、量子光學(xué)、光子學(xué)等提供了全新的研究平臺(tái)。

正文

單腔雙光梳技術(shù)是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域備受矚目的研究方向之一。它利用了光學(xué)微腔的特殊結(jié)構(gòu)和雙光梳的高度頻率穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)微腔中同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)頻率間隔均勻的光學(xué)頻率梳。這項(xiàng)技術(shù)不僅在光譜分析、激光測(cè)距、厚膜檢測(cè)、泵浦探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，還為研究精密光譜學(xué)、量子光學(xué)、光子學(xué)等提供了全新的研究平臺(tái)。

泵浦探針采樣

泵探針采樣是一種強(qiáng)大的技術(shù)，可用于觀察材料和生物系統(tǒng)中的超快過(guò)程（飛秒、納秒）。它將短而強(qiáng)的激光脈沖照射到樣品上（“泵浦”脈沖），從而激發(fā)樣品并引發(fā)物理過(guò)程或反應(yīng)。延時(shí)的第二個(gè)激光脈沖（“探測(cè)”脈沖）被發(fā)送穿過(guò)樣品，以測(cè)量由于初始激發(fā)而發(fā)生的光學(xué)特性的變化。通過(guò)改變泵脈沖和探測(cè)脈沖之間的延遲，可以獲得具有高時(shí)間分辨率的樣品對(duì)泵浦脈沖響應(yīng)的詳細(xì)時(shí)間記錄。

泵浦探針采樣在材料科學(xué)和化學(xué)中特別有用，可以幫助了解能量轉(zhuǎn)移、光化學(xué)和其他重要過(guò)程的基本機(jī)制。 目前有多種方法可以實(shí)現(xiàn)高性能泵浦探針測(cè)量系統(tǒng)。下圖從概念上比較了獲得性能泵浦探針設(shè)置所需的元素。

關(guān)鍵挑戰(zhàn)：光學(xué)延遲掃描

為了解析表面聲波和熱動(dòng)力學(xué)，以及皮秒超聲波等應(yīng)用，通常需要使用長(zhǎng)掃描范圍的泵浦-探測(cè)光延遲。長(zhǎng)掃描范圍能夠研究總厚度為幾十微米的復(fù)雜薄膜疊層，例如現(xiàn)代半導(dǎo)體微芯片中遇到的薄膜疊層。不幸的是，目前使用機(jī)械延遲線在如此長(zhǎng)的距離上掃描速度很慢，并且容易受到光束偏轉(zhuǎn)或發(fā)散造成的系統(tǒng)誤差的影響，為此，光路設(shè)計(jì)上會(huì)需要更復(fù)雜的光機(jī)械結(jié)構(gòu)。此外，緩慢的光學(xué)延遲掃描速度需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖定檢測(cè)來(lái)獲得高靈敏度，這也進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

無(wú)需移動(dòng)部件即可進(jìn)行快速光學(xué)延遲掃描：光學(xué)異步采樣（ASOPS）

ASOPS是在泵浦探針測(cè)量中獲得長(zhǎng)范圍光學(xué)延遲掃描的另一種方法。它使用兩種不同的光學(xué)脈沖速率，一種用于泵浦，一種用于探頭，從而可以精確、快速地掃描它們之間的光學(xué)延遲。 該技術(shù)通常用于超快光聲和其他瞬態(tài)吸收研究。在這過(guò)程中，掃描范圍一般由泵浦重復(fù)率決定，而掃描速度則由重頻差決定。ASOPS 通常使用兩個(gè)獨(dú)立的脈沖激光器激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)激光器通過(guò)高頻鎖相環(huán)和高帶寬反饋電子設(shè)備進(jìn)行同步，以獲得時(shí)間軸上的飛秒級(jí)精度。

采用單腔雙梳的光學(xué)異步采樣

使用單腔雙梳即可代替兩個(gè)單獨(dú)的飛秒激光器進(jìn)行光學(xué)異步采樣。在單個(gè)激光腔內(nèi)生成兩個(gè)具有一定差異的短脈沖，而每個(gè)脈沖序列即可分別用作泵浦源和探測(cè)源。與傳統(tǒng)的雙激光器 ASOPS系統(tǒng)相比，這種單腔雙梳激光解決方案具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，它極大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，減少了所需組件的數(shù)量，并使系統(tǒng)更加緊湊和穩(wěn)定。其次，它可以提高時(shí)間軸穩(wěn)定性，因?yàn)楸闷衷春吞綔y(cè)源都是從同一激光腔產(chǎn)生的，因此具有相關(guān)的脈沖噪聲特性。這抑制了兩個(gè)獨(dú)立激光器之間對(duì)電子反饋回路的需求，并大大提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

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