高重復(fù)脈沖的產(chǎn)生和控制在高速攝影、激光加工和聲波產(chǎn)生等各種應(yīng)用中大有可為。間隔從 ~0.01 到 ~10 ns不等的GHz短脈沖對(duì)于超快現(xiàn)象的可視化和提高激光加工效率尤為重要。盡管存在產(chǎn)生GHz短脈沖的方法，但挑戰(zhàn)依然存在，例如脈沖能量吞吐量低、脈沖間隔可調(diào)性差以及現(xiàn)有系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，由于空間光調(diào)制器的響應(yīng)能力不足，整形每個(gè)GHz短脈沖的空間輪廓也面臨限制。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，東京大學(xué)和埼玉大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種名為 "光譜穿梭 "的創(chuàng)新光學(xué)技術(shù)，它可以同時(shí)產(chǎn)生GHz的短脈沖，并對(duì)其空間輪廓進(jìn)行單獨(dú)整形。該方法包括通過衍射光柵水平分散超短脈沖，利用平行鏡將脈沖在空間上分離成不同的波長(zhǎng)。利用空間光調(diào)制器對(duì)這些垂直排列的脈沖進(jìn)行單獨(dú)的空間調(diào)制。由此產(chǎn)生的調(diào)制脈沖在GHz范圍內(nèi)具有不同的時(shí)間延遲，可產(chǎn)生光譜分離的GHz短脈沖，每個(gè)脈沖的空間輪廓都是獨(dú)一無二的。正如《Advanced Photonics Nexus》所報(bào)道的那樣，所提出的方法成功地產(chǎn)生了具有離散變化波長(zhǎng)和時(shí)間間隔的GHz短脈沖。它展示了空間輪廓的整形，包括位置偏移和峰值分裂。

所提出的 "光譜穿梭 "方法可從超短脈沖中產(chǎn)生GHz短脈沖，每個(gè)脈沖都有不同的波長(zhǎng)和可定制的空間輪廓。這些GHz短脈沖為多種光學(xué)應(yīng)用開辟了道路，包括GHz范圍內(nèi)的超快成像，以及利用超短脈沖激光進(jìn)行高質(zhì)量、高通量激光處理。資料來源：K. Nakagawa（東京大學(xué)）。

圖1：光譜穿梭示意圖。(a) 整體光學(xué)配置俯視圖。(b) (a)中橙色虛線方框所示的一對(duì)平行反射鏡（反射鏡 1 和 2）分離脈沖。(c) 脈沖在（b）中藍(lán)色虛線方框所示的平行反射鏡之間移動(dòng)。BS：分光鏡；SLM：空間光調(diào)制器。資料來源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

該方法在超快光譜成像中的應(yīng)用展示了其同時(shí)捕捉不同波段動(dòng)態(tài)的能力。有助于在亞納秒到納秒的時(shí)間尺度內(nèi)進(jìn)行超快成像，從而能夠分析快速、非重復(fù)的現(xiàn)象。其潛在應(yīng)用包括揭示未知的超快現(xiàn)象和監(jiān)測(cè)工業(yè)環(huán)境中的快速物理過程。單獨(dú)整形 GHz 短脈沖的能力也為精密激光加工和激光治療帶來了希望。

值得注意的是，所提出方法的緊湊設(shè)計(jì)增強(qiáng)了其便攜性，使其適用于各種科研設(shè)施和各種工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

東京大學(xué)生物工程系博士候選人Keitaro Shimada說：我們獨(dú)特的光學(xué)配置可以通過三維光路控制超短脈沖，實(shí)現(xiàn)前所未有的 GHz 短脈沖空間控制。‘光譜穿梭’可提供間隔時(shí)間從 10 ps到 10 ns不等的各種GHz短脈沖。我相信，以我們的技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)等離子體、金屬和細(xì)胞等各種目標(biāo)的應(yīng)用，將加速工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。

圖2：光譜穿梭產(chǎn)生的光譜分離脈沖序列。(a)-(d)在 800 nm和 400 nm波段中間隔為 250 ps 的五個(gè)脈沖的時(shí)變信號(hào)和光譜。(e)、(f) 通過在反射鏡 2 和 3 之間屏蔽一端將脈沖列離散化的光譜。(g)、(h) 在 800 nm波段改變脈沖數(shù)量或時(shí)間間隔時(shí)的時(shí)變信號(hào)。資料來源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

圖3：使用光譜穿梭產(chǎn)生的 800 和 400 nm波段脈沖串作為探測(cè)光，對(duì)激光燒蝕動(dòng)態(tài)進(jìn)行單次透射光譜成像。(a)實(shí)驗(yàn)設(shè)置。(b)激光燒蝕動(dòng)態(tài)過程中T800和T400雙色透射率分布以及T400/T800兩個(gè)波長(zhǎng)波段的透射率比。BS，分束器; BBO，低溫相偏硼酸鋇; DM，二向色鏡; L,透鏡; Obj.，物鏡; SF，光譜濾波; DOE，衍射光學(xué)元件; BPF，帶通濾波器。資料來源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

圖4：使用 SLM 的光譜穿梭產(chǎn)生單獨(dú)空間形狀的脈沖串。(a) 僅對(duì)第三個(gè)脈沖進(jìn)行調(diào)制的實(shí)驗(yàn)裝置。(b) SLM 調(diào)制的第三個(gè)脈沖的相位模式。(c) 在三種條件下，脈沖在距離 SLM ∼1700 mm處傳播的光束輪廓。右側(cè)顯示了 2 mm范圍內(nèi)每個(gè) y 坐標(biāo)的脈沖平均強(qiáng)度。資料來源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)為推進(jìn)超快成像開辟了道路，對(duì)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用都有影響。它能夠同時(shí)產(chǎn)生和整形 GHz 短脈沖，為研究快速現(xiàn)象和增強(qiáng)基于激光的過程提供了一種多功能工具。

文章來源：光電查

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