微脉冲震荡器

英国《自然》杂志网站近日报道，德国科学家已创造出迄今最短的电子短脉冲，其持续时间仅为53阿秒，速度之快足以让显微镜捕捉到电子在原子间跳跃的图像。研究团队表示，最新突破有望催生更精确的电子显微镜，在原子尺度上捕捉清晰的图像，还可加快计算机芯片中数据的传输速度。电子脉冲用于表示计算机内部的数据或被电子显微镜用于捕捉图像，脉冲越短，信息被传输的速度越快，研究人员一直致力于尽可能缩短电子脉冲的持续时长。普通电路内的电场产生的电子脉冲受限于电子在物质内振荡的频率。一个电子脉冲至少需要持续半个振荡周期，因为正是这种振荡周期为电子产生了“推动力”。而光能以更高频率振荡，因此研究人员一直尝试使用短脉冲光来触发电子脉冲。2016年，研究团队创造了持续时间仅为380阿秒的可见光闪烁。借助同样的技术，该团队聚焦激光，从钨针尖端剥落电子并将其打到真空中，获得了持续时间仅53阿秒的电子脉冲。研究人员表示，他们探测到的53阿秒电子脉冲甚至比引发它的光脉冲还要短。根据玻尔的氢原子模型，这一持续时间仅为氢原子中电子绕其原子核运行一周所需时间的1/5。如此短的电子脉冲可使电子显微镜及时聚焦于较短的切片上，类似于降低相机的快门速度，从而更清晰地揭示粒子的运动。研究人员称，如果利用此次获得的阿秒电子脉冲创建电子显微镜，不仅有足够的分辨率来观察运动中的原子，甚至可看到电子在这些原子之间是如何跳跃的。

p　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室在抑制色散镜震荡研究方面取得进展。课题组基于表面减反膜阻抗匹配设计思想，采用啁啾膜系加倾斜沉积雕塑结构低折射率SiO2膜层，设计和制备了低振荡高色散镜，实现单个色散镜在680-920nm近240nm带宽范围内提供平坦的-200fs2群延迟色散。这是相同带宽范围内，群延迟色散量较大的设计结果，并首次实现单个雕塑结构低振荡色散镜应用于飞秒激光器系统进行色散补偿，激光脉冲通过低振荡色散镜2次，能够获得16fs超短脉冲输出。/pp　　色散镜具有反射率高及色散补偿可精确控制等优点，是超强超短脉冲激光系统中重要的色散补偿元件之一。随着超强超短脉冲技术的不断发展，要求色散镜具有很宽的工作带宽和更大的色散补偿量。由于色散镜的带宽、色散量、色散震荡存在相互制约的关系，带宽和色散量的增加必然导致色散振荡的加剧，而色散振荡会严重影响实际应用中脉冲输出质量。传统的色散振荡多采用两个镜子色散曲线相互匹配来抑制。/pp　　采用倾斜沉积雕塑结构SiO2膜层，折射率可调控至1.09(@800nm)，能较好地匹配空气介质，从而降低色散振荡。通过离子束溅射工艺制备Nb2O5/SiO2高低折射率材料交错的啁啾膜系，并在此基础上沉积雕塑结构低折射率SiO2膜层。将制备的获得单个低震荡宽带高色散镜应用于钛宝石激光器系统中，反射两次共提供-400fs2色散补偿，可将100fs的激光脉冲压缩至16fs。该研究发表于OpticalMaterialsExpress, 8(4)836 (2018)。/pp　　该研究获国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金(U1630140)、中科院青年创新促进会(2017289)、中科院战略性先导科技专项(B 类)(XDB1603)等资助。/ppimg src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/be7bb3aa-a5d4-46d1-8ef4-8153d3e3fb54.jpg" title="04-1.png"/img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/d838b3da-e885-45ff-bc55-d8a30d22d9b4.jpg" style="float: right width: 315px height: 242px " title="04-2.png" width="315" height="242"//pp　　图1 低振荡色散镜的结构示意图：(a)雕塑结构低振荡色散镜最优设计膜层结构图 (b)低振荡色散镜各部分折射率示意图/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/2a255603-2928-4829-88a9-6995c5caebe4.jpg" title="04-3.png"//pp style="text-align: center"图2 雕塑结构低振荡色散镜压缩应用实验装置示意图 br//ppimg src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/b1a32a9b-84e1-41fa-9609-ae466adf8a49.jpg" title="04-4.png" width="316" height="224" style="width: 316px height: 224px "/img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/e3bcad71-90f3-4ab7-9fff-e2fce4f8a839.jpg" style="float: right width: 303px height: 211px " title="04-5.png" width="303" height="211"//pp　　图3(a)最优设计的群延迟色散曲线图和反射率曲线(红色曲线)，以及除去顶层低折射率SiO2层的结构的群延迟色散曲线图和反射率曲线(黑色曲线) (b)通过2次雕塑结构低振荡色散镜后的压缩脉冲FROG跟踪/ppbr//p

近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）全光量子源团队开发完成了国内首台产品级高功率飞秒振荡器——Fermion-007。该产品弥补了国内瓦量级飞秒振荡器的产品空白，在国际上仅有立陶宛Light Conversion等少数几家公司具有相当技术指标的产品。Fermion-007采用了多项创新技术，仅一级振荡器即可输出大于7W、重频80MHz的飞秒脉冲激光，其指标、可靠性均达到国际先进水平。目前，研发团队已接到超快电镜应用领域的商业合作订单。作为产生飞秒脉冲激光的“种子”，超快飞秒振荡器（Ultrafast femtosecond oscillator）具有高重频、高光束质量等优势，但输出功率普遍较低，往往需要对其进行功率放大以满足应用需求。然而，这种“振荡器+放大器”的技术路线会大大增加系统复杂度，导致成本变高、可靠性变差，从而限制了飞秒激光的受众范围。此外，超快电镜、飞秒双光子显微成像等应用对激光重复频率也有较高要求，因此，高功率飞秒振荡器成为相关领域的急需产品。飞秒振荡器主要分为光纤和固体两大类。固体振荡器虽然技术难度较高，但最高输出功率比光纤高3个量级，且具有更高重频和更长的锁模器件寿命，是满足应用需求的最佳技术方案。二者的具体对比见表1。表1 光纤、固体飞秒振荡器参数对比光纤飞秒振荡器固体飞秒振荡器直接输出功率百pW至mW量级几十mW至W量级最高重复频率百MHz几GHz飞秒锁模方式/器件寿命SESAM/3个月1. SESAM/3个月2. 克尔透镜锁模/无寿命问题技术难度技术门槛较低。基于标准化光纤器件、光纤熔接机设计、生产。技术门槛较高。对于腔型设计、调试经验、工程化等均有要求较高。对于产品商业化而言，工程水平的高低起决定作用。定制化程度激光器结构、指标类似，激光表现主要依赖于光纤、熔接仪器等的上游器件的性能。结构灵活性好，适合针对应用定制功率、重频、脉宽、中心波长等指标国内商业化现状5-10家商业化公司目前尚无商业化公司基于上述应用需求和技术路线分析，北京量子院开发了Fermion系列高功率全固态（DPSS）飞秒振荡器。在不需要额外放大的情况下，Fermion-007可直接输出大于7W、80MHz的飞秒脉冲激光，脉冲宽度~120fs，中心波长1035nm。此外，输出激光还具有优异的光束质量和长期稳定性，两维M2小于1.2，12小时连续运转功率均方根值小于0.3%。图1 Fermion-007 光谱及脉冲宽度测量图2 Fermion-007 光束质量及长期稳定性工程化是激光器从实验样机蜕变成可用产品的核心环节。Fermion-007采用了低热阻晶体封装、一体化密封、温湿度负反馈控制等多项工程技术，并对腔体、冷却模组的设计进行了模拟优化，以降低高泵浦热量对激光器运行环境的不利影响。激光器采用克尔透镜锁模（Kerr-lens mode locking）作为飞秒脉冲产生、维持的机制，相比可饱和吸收体（SESAM）具有更长的寿命和更高的器件可靠性。此外，研发团队首次将新型“射频同步技术”应用到Fermion-007中，用以自启动及维持飞秒锁模状态，从根本上克服了克尔透镜锁模飞秒振荡器长期存在的“失锁”问题。图3 Fermion-007 机械热分布及水路的模拟高功率飞秒振荡器在双光子显微成像、光参量泵浦等领域应用广泛。近年来，随着相关技术的发展，超快电镜、超快电子衍射等标准化仪器对此类激光器的市场需求也在迅速提升。超快电子显微镜（Ultrafast electron microscopy(UEM)）是由传统电镜升级改造而成的高端分析仪器，“飞秒激光驱动光阴极”系统是其新增的核心模块。升级后的超快电镜除了拥有原子尺度的空间分辨率外，还具有飞秒-皮秒尺度的超高时间分辨率，由此成为研究材料动力学过程的有力工具。图4 Fermion系列产品在超快电镜中的应用研发团队与相关系统商开展了新型超快电镜开发的前沿合作，首次提出利用飞秒振荡器产生高重频的超快电子，以降低激光脉冲对光阴极造成的损伤风险。该方案有望从根本上解决此类仪器长期存在的光阴极可靠性问题，提高超快电镜产品的使用寿命和市场竞争力。据合作系统商的预估，超快电镜未来3年总市场需求量可达到50台/年。研发团队简介高功率飞秒振荡器是量子院全光量子源团队于子蛟助理研究员主导完成的研究项目。全光量子源团队于2020年由鲁巍教授组建，隶属于北京量子院技术产业开发中心。团队致力于打造支撑量子产业相关的关键激光设备，包括超快超强激光装置（TW-PW系统）、激光加速桌面光源及应用、新型高端科研飞秒激光器的前沿技术研究、产品研发及产业化落地。