光学延迟扫描的双重提升

超快激光技术已经为精确测量提供了大量的方法。这些方法尤其包括广泛的脉冲激光实验，在这些实验中，样品被激发，在可变的时间后，对反应进行测量。在这种研究中，两个脉冲之间的延迟通常应涵盖从飞秒到纳秒的范围。在实践中，以可重复和精确的方式在如此广泛的范围内扫描延迟时间是一个重大挑战。苏黎世联邦理工学院物理系Ursula Keller教授小组的一个研究小组，以及Justinas Pupeikis博士、Benjamin Willenberg博士和Christopher Phillips博士的主要贡献，现在已经向一个解决方案迈出了重要的一步，该方案有可能成为广泛的实际应用的游戏规则改变者。他们在《Optica》杂志上撰文，最近介绍并演示了一种多功能的激光器设计，它既能提供出色的规格，又能提供稳定运行多时的低复杂度设置。

长时间拖延的路径

概念上最简单的扫描光学延迟的解决方案是基于一个激光器，其输出被分成两个脉冲。当其中一个脉冲以固定的路线到达目标时，第二个脉冲的光路则通过线性位移的镜面来改变。镜子之间的路径越长，激光脉冲到达目标的时间就越晚，相对于第一个脉冲的延迟就越长。然而，问题是，光的传播速度非常快，每纳秒(在空气中)可覆盖约0.3米。对于机械延迟线来说，这意味着扫描到几纳秒的延迟需要大型设备的复杂和通常缓慢的机械结构。

避免这类复杂结构的一个优雅的方法是使用一对超短脉冲激光器，发出一连串的脉冲，每个脉冲的重复率略有不同。如果说每个激光器发出的第一个脉冲是完全同步的，那么第二对脉冲之间有一个延迟，相当于两个激光器的重复时间之差。下一对脉冲之间有两倍的延迟，以此类推。通过这种方式，可以在没有移动部件的情况下对光学延迟进行完美的线性和快速扫描--至少在理论上是这样。产生两个这样的脉冲序列的最精细的激光系统类型被称为双梳，这是指输出的光谱结构由一对光学频率梳组成。

尽管双梳子方法的前景早已明朗，但由于设计一个可随时部署的激光系统，以提供两个同时运行的高质量和高相对稳定性的梳子，这一挑战阻碍了应用的进展。现在，Pupeikis等人 在实现这种实用激光器方面取得了突破，关键是在同一个激光腔中产生两个频率梳的新方法。

二从一

研究人员手头的任务是建造一个由两个相干光脉冲串组成的激光源，这两个脉冲串除了在重复率上有重要的差异外，在所有属性上基本相同。实现这一目标的一个自然途径是在同一个激光腔中创建两个梳子。过去已经推出了各种实现这种激光腔复用的方法。但这些方法通常需要在腔内放置额外的元件。这带来了损失和两个梳子的不同色散特性等问题。ETH的物理学家们已经克服了这些问题，同时仍然确保两个梳状体共享腔内的所有元件。

他们通过在空腔中插入一个 "双棱镜 "来实现这一目标，双棱镜是一种在表面上有两个独立角度的装置，光从那里被反射出来。研究人员表明，通过对光腔的适当设计，这两个梳子可以在空间上分离出腔内的有源元件，而在其他方面仍然采取非常相似的路径。有源元件 "在这里指的是诱导发光的增益介质，以及所谓的SESAM(半导体可饱和吸收镜)元件，它能实现模式锁定和脉冲生成。这些阶段的模式的空间分离意味着可以产生两个具有不同间距的梳状体，而大多数其他属性基本上是重复的。特别是，这两个梳状体具有高度相关的时间噪声。也就是说，虽然时间上的梳状结构的不完善是不可避免的，但它们对两个梳状结构来说几乎是一样的，这使得处理这种噪声成为可能。

通往实际应用的大门

现在介绍的新型单腔结构的一个突出特点是，它不需要在激光器设计中作出妥协。相反，最适合单腔操作的腔体结构可以很容易地适应于双腔的使用。因此，新的设计也代表了相对于商业产品的重大简化，并为生产和部署这种新型超快激光源开辟了道路。

在第一次演示中取得的基准是非常令人鼓舞的。研究人员以高达500赫兹的速率扫描了12.5纳秒的光延迟(相当于空气中3.75米的距离)(这在物理距离上不到一微米)，并且对于单腔双梳状激光器来说，具有创纪录的高稳定性。所获得的性能--包括每个梳子超过2.4W的高功率，小于140fs的短脉冲持续时间，以及证明了与光学参数振荡器(OPO)的耦合，以将光转换到不同的波长系统--强调了该方法在广泛的测量中的实际潜力，从精确的光学测距(绝对距离的光学测量)到高分辨率吸收光谱学和非线性光谱学的超高速现象采样。