基於實時光譜分析的智能飛秒鎖模脈衝控制

2020-11-25 科學網

 

近日，上海交通大學義理林教授與中山大學李朝暉教授等人合作，基於智能鎖模算法、時間拉伸技術和實時高速電路建立的實時光譜控制平臺，首次實現了鎖模雷射器輸出飛秒脈衝的實時光譜控制，可通過算法智能調節輸出飛秒脈衝光譜的帶寬、形狀以及脈衝的時域寬度。此外，該研究還展示了鎖模雷射器從窄譜鎖模態到寬譜鎖模態的複雜動力學過程，為進一步研究鎖模雷射器內部複雜的非線性動力學提供新視角。相關成果於近期以「Intelligent control of mode-locked femtosecond pulses by time-stretch-assisted real-time spectral analysis」在線發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》上。論文第一作者是上海交通大學博士生蒲國慶，通訊作者為義理林教授。

輸出脈衝寬度為10-15秒的飛秒脈衝雷射器作為重要的基礎研究工具，在物理、化學、生物、材料、信息科學等領域都有廣泛的應用。鎖模是產生飛秒脈衝的主要手段，實現方式有主動鎖模、被動鎖模以及混合鎖模。其中，基於非線性偏振演化（Nonlinear polarization evolution, NPE）的被動鎖模因其簡單的結構和優異的脈衝性能備受親睞。通過調節雷射腔內的偏振控制器即可實現鎖模，但是，手動調節偏振控制器實現鎖模耗時較長，一旦環境擾動極易失鎖且難以恢復，限制了其在工業界的大幅應用。針對這一難題，基於電偏振控制器（Electrical polarization controller, EPC）的自動鎖模技術應運而生。然而，大多數自動鎖模均是基於時域和頻域的分析和判決來實現，忽略了超短脈衝非常重要的光譜信息。因此，自動鎖模找到的鎖模狀態光譜無法預測，可能含有很強的連續光分量或者光譜寬度太窄（時域脈衝寬度太寬），難以達到最優鎖模狀態或者特定鎖模狀態，而這些狀態在絕大部分研究中才具有重要意義。因此，光譜的特性是衡量超短脈衝性能的重要指標。光譜儀雖可識別飛秒脈衝積分光譜但無法識別其瞬時光譜，並且具有體積大、成本高、速度慢的缺點，難以應用於自動鎖模雷射器中。

在這項工作中，研究團隊利用時間拉伸-色散傅立葉變換（time stretch dispersive Fourier transformation, TS-DFT）技術，結合基於FPGA的智能控制算法和實時控制電路，設計了時間拉伸輔助的實時脈衝控制器（time-stretch-assisted real-time pulse controller, TSRPC），首次實現了對鎖模雷射器產生的飛秒脈衝進行實時的光譜精細控制。通過時域到光譜的轉換，採用低速ADC即可識別飛秒脈衝對應的瞬時光譜寬度和形狀。結合智能控制算法，實現了以1.47nm為精度對飛秒脈衝光譜寬帶從10nm到40nm進行可編程調控，光譜形狀可編程為雙曲正割型或三角形等。理論上只要鎖模雷射器內部存在某一特定的鎖模態，都可以通過TSPRC技術自動搜索並鎖定到該狀態。鎖模雷射器中如何復現具有特定光譜分布的鎖模態一直是一個難題，困擾著鎖模雷射器的應用。該研究通過實時的光譜精細控制，為復現具有特定光譜分布的鎖模態提供了可能。基於實時的光譜控制，該研究還展示了從窄譜鎖模態至寬譜鎖模態以及從三角形光譜脈衝態至寬譜鎖模態的演變過程，發現兩者動力學過程具有相似性，提出了目標鎖模狀態可能決定中間動力學過程的猜想，為人們進一步探索鎖模雷射器內部機理提供新視角。據悉，本論文的核心概念已提交了中國發明專利申請。

圖1. 嵌入TSRPC的智能鎖模雷射器。

圖2. 光譜半高全寬的可編程控制。

雷射器重複頻率~3.78MHz時

（a）光譜寬度可編程：10nm至40nm以5nm為間隔的光譜。

（b）相應的脈衝自相關曲線。

雷射器重複頻率~8.6MHz時

（c）光譜寬度可編程：10nm至20nm以5nm為間隔的光譜。

（d）相應的脈衝自相關曲線。

雷射器重複頻率~3.78MHz時

（e）利用TSRPC連續10次搜尋最大光譜寬度，得到的光譜均非常相似，側面說明系統的可重複性。

（f）未使用光譜控制的自動鎖模測試，其得到的脈衝態的光譜寬度和時域寬度均不可控制，證明了TSRPC控制光譜寬度的有效性。

圖3. 光譜形狀的可編程控制。

（a）TSRPC實現寬度為10.63nm的雙曲正割型光譜。

（b）得到的脈衝與標準脈衝之間的歸一化均方誤差僅為0.0001。

（c）TSRPC實現寬度為17.06nm的雙曲正割型光譜。

（d）得到的脈衝與標準脈衝之間的歸一化均方誤差僅為0.00024。

（e）TSRPC實現寬度為三角形光譜。

（f）三角形光譜對應的時域波形。

（g）時域波形的局部放大。

（h）得到的脈衝與標準脈衝之間的歸一化均方誤差僅為0.00127。

圖4.窄譜鎖模態至寬譜鎖模態的動力學過程。

（a）窄譜鎖模態至寬譜鎖模態的動力學過程，包含弛豫振蕩（RO）、單孤子態（Single-solitonstate）、多孤子態（multi-soliton state）、三角型光譜過渡態（triangular-spectrum transition）、混沌過渡態（chaotic transition）等中間過渡態。

（b）弛豫振蕩。

（c）多孤子態和帶噪的寬譜過渡態。

（d）三角型光譜過渡態至混沌過渡態的演變。

（e）調Q鎖模振蕩（QMLoscillation）。

圖S1.三角形光譜脈衝態至寬譜鎖模態的動力學過程。

（a）三角形光譜脈衝態至寬譜鎖模態的動力學過程，包含弛豫振蕩、單孤子態、多孤子態、三角型光譜過渡態、混沌過渡態等中間過渡態。可以看到，此動力學過程與窄譜鎖模態至寬譜鎖模態的動力學過程非常相似。

（b）三角形光譜脈衝態。

（c）弛豫振蕩。

（d）多孤子態。

（e）調Q鎖模振蕩。

（f）三角型光譜過渡態至寬譜過渡態的演變。

（來源：科學網）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0251-x

相關焦點

  • 羅切斯特大學研發出超短、超快、功能更強、成本更低的雷射脈衝
    宏觀上，在大量克爾增強腔中，減少的非線性材料為更高能量水平下的脈衝壓縮提供了新的性能。最早的克爾諧振器脈衝生成演示是在基於光纖的空腔中進行的，尺寸在微觀和整體態之間。光纖的最初演示是由全光緩衝激發的。與其他克爾諧振器平臺相比，光纖提供了出色的熱管理、嚴格的單模操作、極低的波導損耗和市場上可買到的高質量光學元件。
  • 探索亞原子世界的利器——阿秒光脈衝
    為了更加深入地觀察電子的運動以及對其進行控制，飛秒雷射所能夠達到的時間分辨尺度以及對應的空間分辨尺度(100nm)顯然是不能滿足條件的。而現在實驗上所能獲得的阿秒光脈衝的脈衝寬度已經能夠達到甚至短於電子在原子中的運動周期。阿秒光脈衝這種超短的時間分辨能力已經為基於研究電子運動的阿秒科學打開了大門。2.
  • 雷射、啁啾脈衝放大、超快光學和諾貝爾獎
    鎖模就是讓縱模相對相位固定下來, 多個頻率接近而且相位差固定的縱模就可以在時域上通過幹涉形成短脈衝; 縱模數目越多或者佔據的光譜越寬，形成的脈衝就有可能越短。已知光譜(頻域上的光強分布)和各光譜成分的相位, 可以通過傅立葉變換推導出時域上的電場分布, 從而計算出脈衝寬度。
  • 蘇黎世聯邦理工學院成功研發飛秒雙梳Yb: CaF 2雷射器
    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。
  • 一種新型雙向鎖模全正色散光纖雷射器,可實現更高脈衝能量 | OE NEWS
    此外，它也能夠提供快速的數據採集、良好的光譜解析度和高信噪比。因此，越來越多的科研人員已經各種平臺上大力發展雙向鎖模振蕩器。其中，雙向鎖模光纖雷射器由於具有低的成本、良好的穩定性、緊湊的結構等優點受到了廣泛的關注和研究。然而，目前雙向鎖模光纖雷射器的最大脈衝能量通常是在50 pJ範圍內。因此，需要尋找新的方法實現更高脈衝能量的雙向鎖模光纖雷射器。
  • 基於刀片法的飛秒雷射束腰半徑的實時測量與計算
    使用Gaussian型擬合模塊對結果進行擬合，擬合得到的結果進行積分並與實驗測量到的數據進行比較並分析誤差，殘差保持在0.01以內。 但當經過焦點時由於雷射光束的束腰半徑最小，對應飛秒雷射具有最強的峰值功率，通過計算其強度約為2.5×1017W/m2，在刀刃表面發生燒蝕作用，對刃口有了一定的破壞作用。通過這一方法可以簡單測出材料發生燒蝕的閾值功率，可見使用刀片切割強雷射光束測量束腰半徑時，需要適當減小飛秒雷射的入射功率。
  • 聚焦光譜分析技術前沿「超快光譜」——光譜分析前沿技術論壇(北京...
    (北京)」現場　　「光譜分析前沿技術論壇(北京)」的內容較多的集中於超快光譜技術。近年來，發展迅速的超快光譜成為了研究皮秒和飛秒時間尺度內的分子結構與超快動力學行為的強有力手段。　　「光譜分析前沿技術論壇(北京)」邀請了中國科學院物理研究所李運良研究員、北京師範大學張文凱教授介紹二維中紅外超快光譜、超快X射線光譜的技術進展及應用。
  • 納米科學:石墨烯可為光譜學和生物醫學應用提供超快雷射脈衝!
    這種基於石墨烯的有史以來最快的器件將非常適用於超快光譜學和外科雷射器，可避免對活組織造成熱損傷。先進的光子學應用，如高速光譜學，需要超短脈衝，以捕獲所研究材料中的瞬態物理現象。實際上，這意味著飛秒（10-15s）範圍內的雷射脈衝。這種應用的一個例子是光化學弛豫過程的泵浦 - 探針光譜。
  • 石墨烯可為光譜學和生物醫學應用提供超快雷射脈衝
    這種基於石墨烯的有史以來最快的器件將非常適用於超快光譜學和外科雷射器，可避免對活組織造成熱損傷。先進的光子學應用，如高速光譜學，需要超短脈衝，以捕獲所研究材料中的瞬態物理現象。實際上，這意味著飛秒（10-15s）範圍內的雷射脈衝。這種應用的一個例子是光化學弛豫過程的泵浦 - 探針光譜。
  • 太赫茲時域光譜技術原理分析_太赫茲時域光譜技術的應用
    它之所以能夠引起人們廣泛的關注、有如此之多的應用，首先是因為物質的太赫茲光譜（包括透射譜和反射譜）包含著非常豐富的物理和化學信息，所以研究物質在該波段的光譜對於物質結構的探索具有重要意義;其次是因為太赫茲脈衝光源與傳統光源相比具有諸如瞬態性、寬帶性、相干性、低能性等很多獨特的性質，利用太赫茲脈衝可以分析材料的性質，其中太赫茲時域光譜（THz-TDS）是一種非常有效的測試手段.THz-TDS技術是太赫茲光譜技術的典型代表
  • 搭建太赫茲時域光譜系統時，如何選擇合適的飛秒雷射器？
    文 / 郭佔華，上海朗研光電科技有限公司太赫茲時域光譜（THz-TDS）系統是基於相干探測技術的太赫茲產生與探測系統，能夠同時獲得太赫茲脈衝的振幅信息和相位信息，通過對時間波形進行傅立葉變換，能直接得到樣品的吸收係數和折射率、透射率等光學參數。太赫茲時域光譜有很高的探測信噪比和較寬的探測帶寬，探測靈敏度很高，可以廣泛應用於多種樣品的探測。
  • 安揚雷射發布工業級紫外飛秒雷射器
    2019年1月10日，武漢安揚雷射正式對外發布了FemtoYLTM-UV高功率紫外飛秒雷射器，這是安揚雷射FemtoYLTM系列飛秒光纖雷射器產品中的新成員。FemtoYLTM－UV高功率紫外飛秒雷射器據介紹，FemtoYL
  • 脈衝雷射與混沌雷射的區別是什麼？
    ，如圖1所示，脈衝雷射輸出強度時序表現為周期性脈衝，混沌雷射輸出強度時序則表現為隨機起伏。對應的，脈衝雷射的頻譜為單頻峰加諧波峰，混沌雷射的頻譜則為寬帶頻譜。：一是脈衝抽運，二是鎖模。、高峰值功率、光頻梳狀光譜的特點。
  • 超快光纖光源新思路:超短雷射脈衝新紀錄
    應用前景在於超快飛秒脈衝和光學頻率梳的產生，其中光學頻率梳在精密光譜、頻率合成、精準測距、阿秒脈衝產生甚至天文光譜校準方面都有重要的應用。然而，相對於傳統的鎖模光纖雷射器，克爾諧振器的相關研究尚淺，一些關鍵技術參數不如前者，有待科學工作者去開拓創新，技術突破。
  • 一個鎖模光纖雷射器,居然也有這麼多種類
    僅考慮單個橫模的情況下，如果諸多縱模間的相位關係被鎖定（即鎖模），則可以在時域上得到超短的相干脈衝光，如圖1所示[1]。鎖模雷射器能夠產生時域上超短的光脈衝，並具有高的峰值功率及頻域上很寬的光譜，因此它在科學與工程領域具有重要的應用。
  • 光電學院寬帶可調諧飛秒雷射器/光譜分析儀/實時頻譜儀/螢光光譜儀...
    光電學院寬帶可調諧飛秒雷射器/光譜分析儀/實時頻譜儀/螢光光譜儀採購項目結果公告 作者： 發布於：2018-04-02 17:01:00 來源：中國政府採購網
  • 青島自貿雷射掌握五大飛秒核心技術，能幹什麼？
    飛秒雷射的「冷加工」能量飛秒雷射為何有如此大的能量？一飛秒是1秒的一千萬億分之一，即使是每秒能飛行30萬千米的真空中的光，在一飛秒內，也只能走300納米。飛秒雷射就是輸出雷射的脈衝寬度在飛秒級別的脈衝雷射器，能以極快速度將其全部能量注入微納米級的作用區域。