江蘇雷射聯盟導讀：
據悉，雙光學頻率梳由於其高光譜和時間解析度，高掃描速度以及無移動部件，因此是許多光學測量技術的理想解決方案。然而，由於高成本因素和複雜的實驗裝置，這種系統在工業和現場可部署應用方面受到限制，因此通常使用一對鎖定的飛秒雷射器來解決。來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所物理系開發出一種新方法實現了由單個雷射器來創建兩個發射高功率飛秒脈衝的高功率光學頻率梳，為可攜式雙梳狀光源在光譜學和精確距離測量等應用領域鋪平了道路。
在過去的四十年中，超短脈衝雷射器使超快採樣技術得以持續發展。將快速且具有周期性的信號與超短光脈衝混合的泵浦探針測量因此也得以廣泛使用。通過掃描飛秒光脈衝相對於周期信號的延遲，可以確定信號的時間輪廓。這種方法有時被稱為等效時間採樣，取決於兩個特性：實現光學延遲精確變化的能力，以及使用具有快速響應時間的混合過程。因為電光效應顯示出超快的響應時間，實現光學延遲精確變化通過使用電光採樣在早期的研究中得到了解決，而傳統方法是通過機械延遲線來解決的。頻率梳技術的出現，特別是使用一對脈衝重複率差異很小的雙梳光譜學，已經使光學測量技術發生了革命。雙梳在時間和頻率上提供超高的解析度，並且它們提供了完美的線性光學延遲掃描，沒有移動部件，速度遠遠超過機械掃描儀的能力。這種雙梳雷射源已被廣泛用於光學傳感測量，包括高解析度時域光譜學、電光採樣光譜學、通過異步光學採樣的高速泵浦探針測量以及快速和精確的光學測距。
傳統上，雙梳系統基於來自兩個不同鎖模雷射器的一對獨立穩定的光學頻率梳。這種方法已經在許多平臺上成功實現，包括電子鎖定光纖梳、固態鈦：寶石雷射器、微諧振器梳和通過單個雷射輸出調製的電光梳。然而，與單獨的一對頻率梳以及相關的鎖定電子器件相關的複雜性和成本對開發基於這些系統的應用提出了重大挑戰。因此，在最近幾年中，許多研究團隊已經開發了通過由單個雷射振蕩器產生相互相干的梳來降低複雜度的解決方案。來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的班傑明·威倫貝格(Benjamin Willenberg)在10月13日至16日舉行的線上2020 OSA雷射大會上展示這種新方法。該方法展示將於美國東部時間10月16日星期五上午8:30舉行。
在這項研究中，研究人員將兩個45°雙折射晶體插入雷射腔，這在腔的兩個偏振態之間引入了重複率差異。為了同時鎖模兩個梳，他們使用了半導體可飽和吸收鏡(SESAM)。研究人員首次將這種雙折射晶體偏振復用技術與二極體泵浦的固態雷射晶體相結合。所使用的Yb:CaF2增益晶體具有出色的熱性能和寬廣的發射光譜，因此能夠產生高功率飛秒脈衝。
△圖解：(a)通過Yb:CaF2增益晶體(G)和SESAM上的兩個雙折射方解石晶體(BF1 and BF2)進行偏振復用的兩個梳子同時鎖模操作的雷射腔示意圖。雷射通過輸出耦合器(OC)進行泵浦，並通過二向色鏡(DM)將雷射束與泵浦光束分離。(b)展示出了增益晶體中雷射模式的分裂，(c)示出了通過BF2的旋轉來調節重複率差 Δfrep。(d)顯示了SESAM設備上兩個在空間上分開的腔內雷射光斑。
由於新設計使用單個光腔創建兩個頻率梳狀雷射器，因此可以開發更緊湊的雙梳狀結構，從而在功率、波長、帶寬和脈衝重複頻率方面提供靈活性。
通過新的設置，研究人員在兩個1050 nm光束中獲得了175飛秒的持續時間和440 mW的脈衝，重複頻率差為1 kHz。他們通過使用雷射通過異步光學採樣對半導體材料執行低噪聲測量，證明了重複率差異的穩定性。這涉及使用超快脈衝來觸發反應，以及使用第二個脈衝來測量誘發的變化。
△圖解：(a)兩個梳同時運行的鎖模性能。指示的泵浦功率在兩種雷射模式之間平均分配。(b)雷射器以基模工作，兩束光束的光束質量M2<1.05。光束形狀記錄在振蕩器的輸出端(輸出耦合器的放大圖像)，在雷射器的標稱工作點，在WinCamD-LCM-NE 1」光束輪廓儀上，泵浦電流約為3.7A。總泵浦功率為7.8瓦，每個梳的平均輸出功率為440毫瓦。
為了演示雷射器在應用中的實用性，研究人員使用自由運行的雷射器系統對半導體薄膜結構執行了異步光學採樣（ASOPS），揭示了從飛秒到納秒級的時間動態。
△圖解：(a)反射結構中樣品的異步光學取樣或等效時間取樣裝置。數據採集的觸發信號通過兩個梳之間的和頻產生(SFG)獲得。L1 - 100毫米焦距透鏡，L2 - 25毫米焦距非球面透鏡。PD1放大光電二極體(PDA55，Thorlabs公司)，PD2放大光電二極體(PDA10D2，Thorlabs公司)。HWP -半波片，PBS -偏振分束器。(b)使用重複率略有不同的兩個脈衝序列的ASOPS測量技術說明。
這項技術的下一步包括開發堅固耐用的可攜式原型系統，演示科學和工業應用，擴展到更高的功率和更高的重複率以實現更快的測量，以及建立將雷射器商業化的渠道。
本文來源：Benjamin Willenberg et al. Femtosecond dual-comb Yb:CaF2 laser from a single free-running polarization-multiplexed cavity for optical sampling applications, Optics Express(2020). DOI: 10.1364/OE.403072