Advanced Photonics Nexus2024年第1期文章：
Keitaro Shimada, Ayumu Ishijima, Takao Saiki, Ichiro Sakuma, Yuki Inada, Keiichi Nakagawa. Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses[J]. Advanced Photonics Nexus, 2024, 3(1): 016002
背景介绍
高重复脉冲的生成和操纵在科技领域中展现了广泛的应用前景，涵盖高速摄影、激光加工以及声波生成等多个领域。在这方面，GHz脉冲序列具有特殊的重要性，其时间间隔在0.1~10ns之间，特别适用于可视化超快现象和提高激光加工效率。尽管已经存在多种产生GHz脉冲序列的方法，但在实际应用中仍然面临一些挑战：首先，脉冲能量的吞吐量相对较低，从而限制了其在一些应用中的实际效能;其次，脉冲间隔的调节性较差，这使得在不同场景下的适应性受到限制;此外，现有系统的复杂性可能也会导致操作和维护的难度提高。
在这一背景下，空间光调制器的响应不足进一步加剧了对GHz脉冲序列空间轮廓塑造的限制。这使得在实际应用中，GHz脉冲序列在形状和结构上的个性化需求受到了制约，从而无法充分发挥它的潜力。
为了解决这些挑战，东京大学和日本埼玉大学的研究团队开发了一种名为“频谱穿梭”的创新光学技术，它能够同时产生GHz脉冲序列并塑造它们的空间轮廓。该方法通过将超短脉冲水平传播、通过衍射光栅，使用平行镜将脉冲在垂直方向上分离成不同的波长，这些垂直排列的脉冲通过空间光调制器进行个别的空间调制。产生的调制脉冲，带有GHz范围内的不同时间延迟，形成光谱分离的GHz脉冲序列，每个脉冲在其空间轮廓中可被独特塑造。相关成果以“Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses ”为题，发表于Advanced Photonics Nexus 2024年第1期。
研究内容
图1(a)展示了频谱穿梭的整体光学配置。超短脉冲经由光栅水平分散后，入射到一对平行反射镜(反射镜1和2)。入射光在平行反射镜间往复传播，其中特定波长的子脉冲在每一圈内横越反射镜2到达反射镜3或空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)，而其它波长的脉冲则持续在平行反射镜间传播，如图1(b)所示。因此，子脉冲垂直排列并投射到反射镜3或SLM。使用SLM时，每个脉冲可独立进行空间调制，当反射的脉冲沿着初始路径返回，并通过光束分束器拾取，最后便会形成一个在空间上无色散、在光谱上分离的脉冲序列。
图1 频谱穿梭原理图
该研究团队展示了在800 nm、400 nm波段下间隔为250 ps的不同脉冲个数(5，10 和20)的产生(图2);证明了在光谱穿梭中，可以通过调整平行反射镜的角度和位置来生成具有所需数量和时间间隔的GHz脉冲序列，最后产生了具有离散变化波长和时间间隔的GHz脉冲序列，展示了空间轮廓的塑造，包括位置移动和峰分裂。该方法在超快光谱成像中的应用展示了其能够同时捕捉不同波长范围内的动态过程。
图2 通过频谱穿梭产生光谱分离的脉冲序列
该研究团队利用光谱穿梭实现了TC-STAMP(时间冲击-光谱瞬态吸收和多普勒成像)成像，扩展了时间窗口，从而对超快现象的光谱特性进行了详细分析，如图3所示。该方法有助于在亚纳秒到纳秒时间尺度内进行超快成像，使得分析快速且非重复的现象成为可能，其潜在应用包括揭示未知的超快现象以及监测工业环境中的物理过程，塑造GHz脉冲序列的能力还在精密激光加工和激光疗法方面具有潜力。
图3 使用由频谱穿梭脉冲序列作为探测器进行激光烧蚀动力学的单次透射光谱成像
在800 nm波段，研究团队通过将反射镜3替换为一个SLM，实现了独立空间形状的GHz脉冲序列的产生，从而实现了对GHz脉冲序列的前所未有的时空调制(图4)。
图4 通过带有SLM的频谱穿梭产生的独立空间形状的脉冲序列
总结与展望
东京大学生物工程系的博士生、该论文的第一作者Keitaro Shimada表示：“独特的光学配置使得我们能够对超短脉冲进行三维光学路径的操控，实现了对GHz脉冲序列前所未有的空间操控。”他进一步指出：“频谱穿梭提供了一系列GHz脉冲序列，时间间隔从10 ps~10 ns。针对等离子体、金属和细胞等不同目标的各种应用，相信基于我们的技术会加速工业和医学领域的科学发现和技术创新。”
这项创新技术为推动超快成像开辟了新的途径，对科学研究和工业应用都具有重要意义。它具备同时产生和塑造GHz脉冲序列的能力，为研究快速现象和改进激光过程引入了一种多功能工具。
