飞秒脉冲时空变换整形技术

1引言

在过去的短短30年间,超短激光脉冲从产生到应用体现出日新月异的发展趋势。超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、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。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[1,2]。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,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,需要独特

专门的测量技术。时空变换脉冲整形技术是一种简便适用、行之有效的实现时域整形的方法,能得到不同时间分布的脉冲。时空变换就是将时域信息变换到空域,通过空域的处理再返回到时域,以实现飞秒激光脉冲整形、测量和控制。在应用方面,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、安全通讯、存储、医学和生物学成像、化学和物理等方面。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,产生了太赫兹的晶格振动波[3];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];整形

的飞秒脉冲装置建立一个共线的三脉冲序列,用于两维光谱中的核磁共振[5,6]等。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、存储和恢复探测脉冲形状,其中飞秒脉冲整形技术发挥了不可替代的巨大作用。

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]、声光调制器(AOM)[8]、移动镜(MM)[9]、变形镜(DM)[10]、光谱全息[11]等,它们都是收稿日期:2004-07-16;收到修改稿日期:2004-09-17基金资助:国家杰出青年基金(60125512)资助课题。

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,通过空域的处理再返回到时域,是实现飞秒激光脉冲整

形、测量和控制的一项重要技术。在应用方面,可产生各种所需要的波形,已广泛应用在飞秒化学、信号处理、安全通信、生物学和医学成像等方面。介绍了飞秒时空变换脉冲整形的几种方法。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

Femtosecond Pulse Shaping with Space-time Conversion Technique

ZOU Hua

ZHOU Changhe

(Laboratory of Information Optics,Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,

The Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800)

Abstract

The temporal pulse shape is given by Fourier transform of spatial pattern transferred from the phase and

amplitude masks onto the spectrum.

By changing the spectrum and the phase of an ultrafast pulse in space,

the

recombined laser pulse has controllable temporal shape in time.

The shaped ultrafast pulse generation and

characterization have been applied in the studies of ultrashort pulse code division multiple access (CDMA)

communications,image processing in biomedicine,femtosecond chemistry etc.Some methods of femtosecond pulse

shaping for time-to-space conversion of ultrafast optical waveforms are summarized.Key words

femtosecond pulse shaping

space -time conversion

spatial light modulator

moving mirror

deformable mirror

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,上海201800)

用来控制飞秒脉冲扩散光谱成份

的位相和振幅。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]。美国普渡大学Weiner在此领域进

行了大量的工作,发表了很好的综

述论文[7,13]。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,具体内容包括空间光调制器(SLM)、声光调制器(AOM)、移动镜(MM)、变形镜(DM)时空变换等,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]。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、时间不变的滤波器的基础上。线性滤波可在时域描述,也可在频域描述。如图1所示,在时域中,滤波器可用脉冲响应函数h(t)表示其特性,滤波器的输出e out(t)可由输入脉冲e in(t)和h(t)的卷积表示

e out(t)=e in(t)*h(t)

=∫d t′e in(t′)h(t-t忆)(1)如果输入脉冲是d函数,则输出仅仅是h(t)。因此对于足够短的输入脉冲产生特定的输出脉冲形状,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。

在频域,滤波器可由频率响应H(w)表示其特性,线性滤波器的输出E out(w)是输入信号E in(w)和频率响应H(w)的积,即

E out(w)=E in(w)H(w)(2)这里e in(t)、e out(t)、h(t)和E in(w)、E out(w)、H(w)分别是傅里叶变换对,即

H(w)=∫d th(t)exp(-i w t)(3) h(t)=12p∫d w H(w)exp(i w t)(4)

对于一个d函数的输入脉冲,

输入光谱E in(w)是不变的,输出光

谱等于滤波器的频率响应。因此,

由于傅里叶变换关系,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,脉冲整

形的方法都是由这种频率域观点

来描述的。

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,

所需要的输出波形可由滤波实现。

图2是脉冲整形的基本装置,它是

由一对衍射光栅、透镜和一个脉冲

整形模板组成的4f系统。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。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,目的是

调制空间色散的各光频成份的振

幅和位相。光栅和透镜看作是零色

散脉冲压缩结构。超短脉冲中的各

光频成份由第一个衍射光栅角色

散,然后在第一个透镜的焦平面聚

焦成一个小的、衍射有限的光斑。

这里的各光频成份在一维方向上

空间分离,在光栅上从不同角度散

开,在第一个透镜的后焦平面上进

行了空间分离,第一个透镜实现了

一次傅里叶变换。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,这样就得到了一个整形输出

脉冲,这个输出脉冲的形状由光谱

面上模板的模式给出。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;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。这两个连续的傅里叶变换

的效应是:如果没有脉冲整形模

板,输入脉冲穿过这个系统时是不

变的。这里要满足零色散的条件,

透镜应是较薄的、无色差的。参考

文献[15]已报道观察到了零色散压

缩无失真的脉冲。在图2实验装置

中,如果用反射式球面镜代替透镜

就可以避免这些问题,得到无色散

的过程。空间模板已证实可用许多

技术制成,最初飞秒脉冲整形装置

中,用的是微光刻术制造的位相和

振幅模板[15]。现在,人们都聚焦在可

编程的空间光调制器上,其允许在

毫秒重复编程的时间内用计算机

控制模板模式。可编程的脉冲

整形图1线性滤波器的脉冲整形[7]。(a)时域;(b)

空域

图2飞秒脉冲整形装置[12]