日本研究团队开发出同时产生和整形GHz短脉冲的光学技术

高重复脉冲的产生和控制在高速摄影、激光加工和声波产生等各种应用中大有可为。间隔从 ~0.01 到 ~10 ns不等的GHz短脉冲对于超快现象的可视化和提高激光加工效率尤为重要。尽管存在产生GHz短脉冲的方法，但挑战依然存在，例如脉冲能量吞吐量低、脉冲间隔可调性差以及现有系统的复杂性。此外，由于空间光调制器的响应能力不足，整形每个GHz短脉冲的空间轮廓也面临限制。

为了应对这些挑战，东京大学和埼玉大学的一个研究团队开发出了一种名为 “光谱穿梭 “的创新光学技术，它可以同时产生GHz的短脉冲，并对其空间轮廓进行单独整形。该方法包括通过衍射光栅水平分散超短脉冲，利用平行镜将脉冲在空间上分离成不同的波长。利用空间光调制器对这些垂直排列的脉冲进行单独的空间调制。由此产生的调制脉冲在GHz范围内具有不同的时间延迟，可产生光谱分离的GHz短脉冲，每个脉冲的空间轮廓都是独一无二的。正如《Advanced Photonics Nexus》所报道的那样，所提出的方法成功地产生了具有离散变化波长和时间间隔的GHz短脉冲。它展示了空间轮廓的整形，包括位置偏移和峰值分裂。

所提出的 “光谱穿梭 “方法可从超短脉冲中产生GHz短脉冲，每个脉冲都有不同的波长和可定制的空间轮廓。这些GHz短脉冲为多种光学应用开辟了道路，包括GHz范围内的超快成像，以及利用超短脉冲激光进行高质量、高通量激光处理。资料来源：K. Nakagawa（东京大学）。

图1：光谱穿梭示意图。(a) 整体光学配置俯视图。(b) (a)中橙色虚线方框所示的一对平行反射镜（反射镜 1 和 2）分离脉冲。(c) 脉冲在（b）中蓝色虚线方框所示的平行反射镜之间移动。BS：分光镜；SLM：空间光调制器。资料来源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

该方法在超快光谱成像中的应用展示了其同时捕捉不同波段动态的能力。有助于在亚纳秒到纳秒的时间尺度内进行超快成像，从而能够分析快速、非重复的现象。其潜在应用包括揭示未知的超快现象和监测工业环境中的快速物理过程。单独整形 GHz 短脉冲的能力也为精密激光加工和激光治疗带来了希望。

值得注意的是，所提出方法的紧凑设计增强了其便携性，使其适用于各种科研设施和各种工业技术领域。

东京大学生物工程系博士候选人Keitaro Shimada说：我们独特的光学配置可以通过三维光路控制超短脉冲，实现前所未有的 GHz 短脉冲空间控制。‘光谱穿梭’可提供间隔时间从 10 ps到 10 ns不等的各种GHz短脉冲。我相信，以我们的技术为基础，针对等离子体、金属和细胞等各种目标的应用，将加速工业和医学领域的科学发现和技术创新。

图2：光谱穿梭产生的光谱分离脉冲序列。(a)-(d)在 800 nm和 400 nm波段中间隔为 250 ps 的五个脉冲的时变信号和光谱。(e)、(f) 通过在反射镜 2 和 3 之间屏蔽一端将脉冲列离散化的光谱。(g)、(h) 在 800 nm波段改变脉冲数量或时间间隔时的时变信号。资料来源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

图3：使用光谱穿梭产生的 800 和 400 nm波段脉冲串作为探测光，对激光烧蚀动态进行单次透射光谱成像。(a)实验设置。(b)激光烧蚀动态过程中T800和T400双色透射率分布以及T400/T800两个波长波段的透射率比。BS，分束器; BBO，低温相偏硼酸钡; DM，二向色镜; L,透镜; Obj.，物镜; SF，光谱滤波; DOE，衍射光学元件; BPF，带通滤波器。资料来源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

图4：使用 SLM 的光谱穿梭产生单独空间形状的脉冲串。(a) 仅对第三个脉冲进行调制的实验装置。(b) SLM 调制的第三个脉冲的相位模式。(c) 在三种条件下，脉冲在距离 SLM ∼1700 mm处传播的光束轮廓。右侧显示了 2 mm范围内每个 y 坐标的脉冲平均强度。资料来源：Keitaro Shimada等人，《Spectrum shuttle for producing spatially shapable GHz burst pulses》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

这项创新技术为推进超快成像开辟了道路，对科学研究和工业应用都有影响。它能够同时产生和整形 GHz 短脉冲，为研究快速现象和增强基于激光的过程提供了一种多功能工具。