CN111123560B - 基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法和系统 - Google Patents

基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于脉冲激光调控技术领域，具体为基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法和系统。本发明方法包括：通过多频声光调制对脉冲光输入进行多角度布拉格偏转，使其沿多条延迟线平行传播，利用大面积光栅对所有延迟线同时实现反向衍射，并再次通过声光调制器，最终形成单一空间模式输出的整形光脉冲。本发明通过射频信号编程控制子脉冲的幅度、相位和延迟，可产生近太赫兹调制带宽，波形稳定的相干光学波形并用于精确调控原子分子运动。本发明系统包括：射频信号编码模块，声光调制模块，光学透镜系统，光栅模块，稳频光系统监测模块；本发明在激光冷却、原子干涉、激光同位素分离等领域有重要应用前景。

Description

基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法和系统
技术领域
本发明属于脉冲激光调控技术领域，具体涉及一种光脉冲调控方法和系统。
背景技术
光脉冲整形(即光脉冲调控)技术在高精度光谱研究以及相干量子调控领域都有重要的作用。在超快光学领域，多维相干光谱技术(MDCS)利用多脉冲激励和相干探测揭示了样品的相干动力学。MDCS技术要求相位稳定的多路可调谐光延迟，其在超快激光下的光学实现具有技术挑战性。例如在2003年和2007年，我国科学家田裴芳以及美国科学家Patrick F.Tekavec分别利用傅里叶变换脉冲整形技术(FTPS)和干涉法研究了光学脉冲下的多维相干光谱技术。对于具有皮秒以上延迟的高分辨率非线性光谱分析，通常需要相位稳定的光学机械延迟，但是这种机械延迟很难保持快速和任意的可编程性。
另一方面，由核磁共振和量子计算科研领域驱动的复合脉冲技术已被用于容错核自旋和量子比特调控，而通过脉冲整形实现最佳控制是一个成果涌现的研究前沿。然而，与近乎完善的核自旋或光学拉曼控制相比，在电偶极允许跃迁下对离散电子能级进行完全SU(N)光学控制的技术还远未发展完善。为了在非均匀激光束中实现这种高保真度控制，脉冲整形器需要有足够大的调制带宽，以及足够长的相干时间。令人惊讶的是，在现有技术中，对于典型的原子或分子，这一要求并没有得到满足，特别是常规的连续(CW)激光调制技术是低通或窄带的(调制时间在数十纳秒以上)，而相干时间在目前常规的的超快脉冲调制方法中受到短光延迟的限制(延时常限于在皮秒级)。
因此，开发一种具有从皮秒到纳秒时间尺度调制带宽的通用脉冲整形方法，对于MDCS和实现自由原子/分子的全量子控制是非常有用的。这一技术的关键在于脉冲整形器的相位稳定性，以及对脉冲序列快速可编程控制。目前一般的光脉整形方式有以下几种：利用多重光学分束镜将光脉冲分离为多个延迟线分别调制，最后再合束的方式称为干涉法；利用声光效应的波长选择性对不同频率的光在不同延迟下分别衍射，称为声光可编程色散滤波器(AOPDF)；利用光栅等色散元件将脉冲激光的不同频率成分沿不同角度衍射，对不同傅里叶分量进行可编程性的调制，再利用另一面光栅将不同延迟线光束合束的方法称为傅里叶变换脉冲整形技术(FTPS)；将脉冲激光扩束后，分割光束波前，并利用衍射元件形成不同延迟线上传播的子波，并对空间上分离的子波实现编程调制，称为直接空间时间脉冲整形技术(DSTPS)。在这些方法中，由普渡大学的Andrew.M.Weiner主导发展的傅里叶变换脉冲整形技术是目前脉冲整形技术中最为广泛使用的。除多维光谱研究中的应用外，在光学优化量子调控中，这一脉冲整形的方法也被YaronSilberberg等人应用于双光子跃迁、非线性拉曼光谱之中。
但经研究发现，上述几种脉冲序列整形技术还至少存在如下缺点：
1、干涉法在搭建实验光路时就已经决定了其最大可分离子脉冲的个数，并且各脉冲间的延迟是固定的，无法对延迟进行快速编程调控，严格来说并不属于脉冲整形技术；
2、声光可编程色散滤波器的延迟线最大长度受限于其晶体尺寸，目前市场上的此类装置一般仅提供10ps以下的延迟；
3、傅里叶变换脉冲整形技术利用其频域分量分光，因此并不适合于窄带宽激光。同时因为此方法是在傅里叶平面利用空间光调制器等方式调制脉冲，为了获取更长的光学延迟，需要更高的空间调制频率，这对调制器本身就提出了较高的要求。并且无法避免的是，在调制脉冲的相位时，会使激光发生衍射，改变其传播方向，从而导致输出效率的降低。这一问题被称为时间空间耦合问题；
4、直接空间时间脉冲整形技术相比傅里叶变换脉冲整形技术，更适合于窄带宽激光脉冲，并易形成较长的光学延迟。但是其空间波阵面划分方法本身就会影响其输出的单模质量和耦合效率，尤其对于产生低占空比孤立脉冲等情况。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，以实现对皮秒级超短脉冲序列的幅值、相位及延迟的精确高速编程性调控，进而获得近THz带宽，相干时间可达1纳秒的任意波形脉冲光，可用于原子/分子光学跃迁的量子调控。
本发明提出的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，具体步骤如下：
(1)利用基于布拉格衍射的多频声光调制，将入射锁模激光束衍射到多个方向；
(2)利用长焦距、大成像视野透镜组将多方向衍射光束转换为弱聚焦的多路平行光束，并入射于大面积光栅；
(3)在弱聚焦光的瑞利范围
Figure BDA0002347453990000021
内对多路平行入射光同时实现高效反向衍射，再次经过所述透镜组，实现二次声光调制；
(4)利用反向衍射光在二次声光调制中的时间反演对称性，实现高效反向声光衍射及单模输出耦合，从而获得高品质空间模式,延时范围高达
Figure BDA0002347453990000022
(c为光速)的多子脉冲输出，并耦合到单模器件；
(5)在上述过程中，通过编程控制驱动声光调制的射频信号频率、振幅和相位，精确控制输出子脉冲序列光脉冲的相对延时、振幅及相位；
(6)同时可利用连续光声光调制拍频信号实时检测子脉冲光路的相位和声光衍射效率稳定性，通过射频信号实时纠正相对相位漂移并对衍射效率实现非线性修正。
本发明方法中，考虑脉宽为τ，频谱宽度Δf＝1/πτ,频谱变换极限下的锁模激光输入，本调制方法通过精确编程N个等间隔延时τd>τ的子脉冲序列，实现脉宽τM＝Nτd(τM<τmax受限于最大延时范围),调制带宽高达ΔfM≈1/πτd，振幅/相位任意可调的准连续激光波形输出。
本发明方法中，利用脉宽τM＝Nτd,调制带宽高达ΔfM≈1/πτd,相位稳定，波形在调制带宽内任意可控的准连续激光波形输出，代替常规连续激光和低速调制激光，用于实现原子和分子的高效电偶极激发及内外量子态优化调控。
本发明方法中，利用多组(n路)4F成像系统及多光栅反向衍射增大延时范围τmax，实现纳秒级或更长的
Figure BDA0002347453990000031
延时范围,获得GHz级或更精细的量子调控能量分辨率。
本发明还提供基于上述光脉冲整形方法的多频声光调制及光栅衍射光脉冲调制系统，如图1所示，系统主要包括：射频信号编码模块，声光调制模块，光学透镜系统，光栅模块，稳频光系统监测模块。
所述射频信号编程模块，其中使用者编写射频信号各组分的频率、幅值及相位。编写好的射频信号被整合放大后以正弦波的形式传至声光调制模块。
所述声光调制模块，其中由声光器件(一般为声光调制器(AOM)或声光偏转器(AOD))将射频信号转化为相应频率、强度及相位的声波(晶体密度调制波)，对入射的脉冲激光产生多角度衍射，从而达到分束目的。基于声光调制原理，衍射子脉冲光束与入射光束的夹角在小角度近似下正比于声波信号频率。通过对射频信号的频率组分数量及频率编程，可任意改变衍射光的数量及方向。而各衍射子脉冲光束的强度及相位亦由相应频率的声波信号强度及相位编程调制。
所述光学透镜系统，对由声光效应衍射分束的子脉冲进行准直，该长焦距光学透镜系统的作用是将子脉冲传播方向差异转化为横向位置差异(传播方向准直)，同时对光束实现弱聚焦，以提高下一步光栅衍射的光学带宽。
所述光栅模块，置于弱聚焦子脉冲的聚焦腰束附近，其衍射角度优化于-1级。由于不同子脉冲光束的横向位置不同，导致反向衍射子脉冲之间形成光程差及相应延迟。由上述讨论可知，这一延时由光学透镜系统焦距及声光调制系统的衍射角度差决定，进而完全由射频信号频率编程控制。
在光栅上反向衍射的各子脉冲再次通过光学透镜系统及声光调制模块。所述光栅反向衍射发生于高斯光腰附近，衍射几乎是波前的时间反演，该对称性保证了被两次相同频率声波衍射的激光会沿最初的入射方向反向出射，且衍射效率几乎相同。其结果是所有分光束在入射光的反方向再次合束。利用单模光纤将这部分光束筛选出来，作为出射脉冲序列的单模输出。
如上所述，通过控制脉冲序列的数目、间隔、强度、相位，以单脉冲谱宽为调制带宽，在总延时决定的相干时间内编程逼近理想的任意波形脉冲，可实现可精确快速编程性的脉冲波形优化。
在上述系统中，各个子脉冲间最大延迟受到光栅模块界面光束瑞利长度及光栅尺寸的限制，在单光栅系统中可获得100ps级的总延时。该相干延时时间已远优于常规整形方法。为获取长达纳秒级的光学延迟，光栅模块中的单衍射光栅可替换为如图2所示的四倍焦距(4F)多光栅系统。这种方式有效增加入射子光束瑞利范围内光栅横向面积进而增长延迟范围，可轻易达到纳秒级延时。
所述稳频光系统监测模块，用于对子脉冲的强度和相位进行实时检测，并做出反馈调制。如图1及图3所示，其工作流程为：将与与脉冲激光同波长的作为监测光的稳频激光(为连续光)合束注入系统，经过与脉冲激光经过完全相同的调制光路，并经历两次声光调制；由声光调制原理，单模输出的连续光亦拥有附加射频频率移动分量，可通过和光学局域场外差测量形成拍频信号，并被光电二极管准确探测，进而获得各光学频率分量的相位差、强度差。由于连续光与脉冲激光共享同一光路，因此该拍频信号分量的相位及强度差对应于脉冲序列各个子脉冲的相位及强度差。
为避免脉冲光和稳频监测光在测量和应用中互扰，可加入额外的光开关，在单模输出中对稳频激光和脉冲激光实现时域分离。图3中的(1)(2)分别对应于图1中的相应记号，这里各个声光调制器均起到了高速光开关的作用，通过例如图4中给出的射频时序示例，可做到对连续光与1MHz重频皮秒脉冲的快速切换，使得连续光在脉冲间隙之间输出，从而做到系统实时相位及衍射效率监测，而不影响整形光脉冲的输出应用。
当射频信号幅值较大时，声光调制过程(即射频信号放大-射频声波激发-布拉格衍射)会有非线性效应,增加整形脉冲的编程控制难度。可利用稳频光系统监测模块对这一非线性效应进行监测，并通过射频信号的编程调节实现光学信号保真度的实时优化。
在抗噪方面，本发明所有子脉冲共享同一套光学系统，因而元件相对的振动——这也是通常光学调制设计中最容易造成相位误差的原因—并不会改变各个子光路的光程差或相位差，因而该系统拥有内禀的短期相位稳定。通过稳频监测系统检测低频噪音导致的相位漂移，进而在射频信号中进行补偿，可进一步保持该系统的长期相位稳定性。
本发明的系统设计与调控方法与现有技术的主要区别在于，采用多频声光调制技术及光栅的反向衍射，通过衍射分离子脉冲光束并同时进行调制，能够达到纳秒级甚至更长的光学延迟并可对子脉冲进行高速精确任意编程。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲整形方法具有以下的优越性：
(1)本发明对输出皮秒脉冲序列的控制完全通过编程完成，子脉冲数量以及子脉冲的幅值、相位和延迟均由程序数字化控制，具有独特的任意可编程性及灵活性，而编程更新速度仅受限于微秒级声光调制带宽，远高于干涉法中的机械调制速度(秒级)及傅里叶变换脉冲整形技术(FTPS)中常用的空间光调制器(毫秒级)；
(2)本系统分光基于多频声光衍射机制，通过光学衍射将入射脉冲分离成任意多个子脉冲，同时对各个子脉冲相位和幅值调制，这种分束延时方式突破了声光可编程色散滤波器(AOPDF)的晶体长度相关延时限制，可实现包括傅里叶变换脉冲整形技术(FTPS)在内难以获得的纳秒级精确延时，且避免了直接空间时间脉冲整形技术(DSTPS)中切割波阵面导致的单模输出质量下降等“空间时间耦合”问题；
(3)利用透镜准直、光栅衍射系统及其扩展的四倍焦距光栅系统，通过调整输入射频信号的频率差，延迟线可方便在皮秒级至长达纳秒级之间转变；
(4)光栅模块中反向衍射，以及二次经过声光器件衍射的设计，巧妙地使所有分离后的子脉冲合束，保证了输出脉冲序列的单模性质；
(5)本发明系统所有子光路共享了完全相同的光学元件，相对相位对振动噪音有优越的抵抗力；
(6)同时本系统可利用连续光作为监测，同时显示各个子脉冲间的相对相位，进一步保证了系统稳定性。
本发明可用于将由锁模激光器输入的光脉冲序列转变为基于延迟脉冲序列的高带宽任意波形光脉冲，其波形控制通过编程快速简单的调制子脉冲数量，幅值、相位及延迟实现，且延迟线可从百皮秒级至纳秒级切换。这一发明将为高分辨率的原子/分子多维相干光谱研究提供更多的支持，同时也可在光学偶极跃迁上实现此前技术尚无法做到的高保真度量子控制。
附图说明
图1为基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控系统示意图。其中，符号(1)、(2)对应于图3中中(1)、(2)子图。
图2为用于生成更长延迟线的四倍焦距光栅系统示意图。
图3为稳频光监测系统示意图。其中，(1)为稳频光输入端示意图(2)为输出端稳频光及脉冲光时域分离及监测示意图。
图4为实时监测相关射频时序设置示例。图中rf标记对应于图3中相应位置。
图5为典型的出射光学带宽(δfL)max和最大延迟时间(τd)max与输入高斯光斑束腰半径的关系。
图中实线表示透镜焦距F＝200mm，虚线表示F＝750mm，带方块线为最大延迟时间(τd)max，不带方块线为光学带宽(δfL)max。激光中心波长λ＝0.8um,光栅常数d＝1/2400＝0.42mm。
图6为2个及3个子脉冲情况下的自相关仪测试结果。其中，(a)为2个子脉冲情况下自相关仪测试及脉冲还原拟合结果，ω1,2＝2π×76,92MHz；(b)为3个子脉冲情况下自相关仪测试及脉冲还原拟合结果，ω1,2,3＝2π×76,84,92MHz。(c)为2个子脉冲情况下，延迟随射频信号频率差的变化关系图。
图(a,i)、(b,i)中点为自相关仪数据，线为拟合曲线；(a,ii)、(b,ii)为拟合还原出的子脉冲。(c)中点为不同频率差下还原得到延迟，误差线为拟合误差，线是根据方程(1)计算得出的理论关系。
图7为2个、3个及6个子脉冲序列下的原子俘获损失光谱。其中，(a)为N＝2情况，方块为延迟τd＝96ps,圆圈为延迟τd＝24ps；(b)为N＝3情况,相邻两个子脉冲间延迟为τd＝96ps；(c)为N＝6情况,相邻两个子脉冲间延迟为τd＝12ps。
图8为多个子脉冲不同相位下的重构模拟结果，标记A-J对应于图7中相应标记。图中实线表示脉冲强度，虚线表示脉冲电场实部。
具体实施方式
下面将根据本发明提出的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，进一步描述任意皮秒光脉冲序列控制生成的实施过程。同时为了体现本方案的效果，将给出实际的子脉冲间延迟及相位扫描实验结果。
本发明提出的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法描述如下。
首先，利用多频声光调制对中心波长为λ的入射锁模激光脉冲实现多角度衍射。具体来说，圆频率为ωi的声波在声光晶体中可驱动波数ks,i＝ωi/vs(vs为晶体声速)的折射率光栅，在接近布拉格入射条件下可将入射光波矢kin移为kout,i＝kin+ks,iey,产生衍射角度为θi＝ωiλ/vs的衍射光(ey为沿y方向单位矢量)。对i＝1,…,N多频声波，入射光被同时衍射到多个θi方向。
然后，利用消球差透镜组将多角度布拉格衍射光转换为多路弱聚焦平行光。考虑入射高斯光束腰宽为w，透镜组的有效焦距为F，则经过透镜组后平行光中心位置为yi＝sinθiF,弱聚焦光聚焦点处高斯腰宽为
Figure BDA0002347453990000061
瑞利范围为
Figure BDA0002347453990000062
之后，利用大面积光栅(光栅常数d)对聚焦高斯光束瑞利范围
Figure BDA0002347453990000063
内对中心位置yi的所有多平行光束同时实现反向衍射，从而实现正比于2yi/c(c为光速),延时范围接近
Figure BDA0002347453990000064
的τi光学延迟，具体表达为：
Figure BDA0002347453990000071
最后，反向衍射的激光再次通过透镜组，进入声光调制系统。由于反向衍射光的时间反演对称性，在声光调制器件中形成高效kout＝-kout,i+ks,iey＝-kin衍射，获得单次衍射角θi无关的kout＝-kin高品质单模输出，并耦合到单模器件。
通过编程控制射频信号的频率、振幅、相位
Figure BDA0002347453990000072
精确控制声波信号的频率、振幅、相位
Figure BDA0002347453990000073
进而精确控制光学子脉冲的延时、振幅转换系数及相位
Figure BDA0002347453990000074
除方程(1)描述的ωi～τi关系，振幅转换系数和相位传递函数表征如下：
Figure BDA0002347453990000075
Figure BDA0002347453990000076
其中，
Figure BDA0002347453990000077
是基于二次声光调制的小信号近似(η为转换系数，|Ai|2<1为光强转换率)，而
Figure BDA0002347453990000078
项计入声光调制过程(即射频信号放大-射频声波激发-布拉格衍射)的Ai,c高阶非线性贡献。实际编程操作中，可以通过降低线性衍射效率
Figure BDA0002347453990000079
来限制
Figure BDA00023474539900000710
的非线性贡献。也可以通过实时拍频测量(利用下述连续稳频激光监测系统)，通过调节射频信号参数
Figure BDA00023474539900000711
对目标光脉冲的振幅和相位进行非线性修正。
同时，可沿入射脉冲同向注入同波长稳频激光，监测多延迟线脉冲光路的相位和衍射效率稳定性。具体来说，利用声光调制的频移特性，通过监测稳频激光同向输出同参考激光的2ωi拍频型号的振幅Ap,i、相位
Figure BDA00023474539900000712
推测延时脉冲的强度Ai、相位
Figure BDA00023474539900000713
因稳频激光经历的光路和脉冲激光空间上完全重合，通过对拍频测量过程中的时间零点和脉冲激光同步，必然有Ap,i∝Ai，及
Figure BDA00023474539900000714
而参考激光引入的相位常数并不影响子脉冲相对相位的确定。因此该方法可对Ai,
Figure BDA00023474539900000715
实现有效实时测量。通过测量值和设定值的对比，可调解射频参数
Figure BDA00023474539900000716
对脉冲光Ai,
Figure BDA00023474539900000717
进行非线性修正，有效保证脉冲光路相位和振幅的长时间稳定性。
在上述监测系统中，可加入额外的光开关，在单模输出中对稳频激光和脉冲激光实现时域分离，以避免二者在测量和应用中互扰。
对于单面光栅衍射下的本系统，最大的延迟时间(τd)max以及与之相关的频率分辨率(δfL)r＝1/(2τd)max,因平面光栅的时间反转波前和反向衍射后波前的重叠效率而受到限制。反向衍射仅在聚焦高斯光束的瑞利范围
Figure BDA0002347453990000081
内可认为是高效率的。因此最大延迟时间
Figure BDA0002347453990000082
对于光带宽为
Figure BDA0002347453990000083
的输入脉冲，光栅界面的窄带宽反向衍射使得反向衍射脉冲的带宽受到限制
Figure BDA0002347453990000084
这里
Figure BDA0002347453990000085
由脉冲在光栅上经过的最小持续时间决定。因此整形后的出射光脉冲序列的带宽限制为
Figure BDA0002347453990000086
为方便说明，在图5中，我们绘制了几种典型实验参数设定下的，由
Figure BDA0002347453990000087
限制的(δfL)max以及由
Figure BDA0002347453990000088
限制的(τd)max，均表示为与入射高斯光束束腰半径w的关系曲线。图中实线表示透镜焦距F＝200透mm，虚线表示F＝750mm。入射激光中心波长λ＝0.8um,光栅常数d＝1/2400＝0.42mm。
上述最大延迟τmax为单面光栅衍射系统下的，受到光栅面积及瑞利长度限制。利用如图2所示的多组(n路)4F成像系统及多个光栅反向衍射，增大延时范围τmax，可实现纳秒级或更长的
Figure BDA0002347453990000089
延时范围,从而获得GHz级或更精细的量子调控能量分辨率。
下面以如图1所示的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控系统为例，通过实验测试，对本发明的可行性进行验证。
实验中，声光器件使用中心调制频率为80MHz，带宽约为20MHz声光调制器(AOM)，声速vs＝4200m/s；透镜系统直接采用一750mm的2英寸消色差透镜；光栅采用2400线每mm的2英寸全息光栅，光栅常数d＝0.42mm。所用输入锁模激光脉冲中心频率λ＝795nm，重频f0＝80MHz，半高脉宽τ≈11ps,高斯束腰半径w＝1.5mm。
图6展示了子脉冲序列间延迟与输入射频频率关系的测试结果。这里利用了自相关仪分别对N＝2，3个子脉冲时的输出脉冲进行测量。其中，(a,i)、(b,i)为相应2个及3个子脉冲下的自相关图像，对该自相关数据拟合，还原出原本的脉冲序列，分别(a,ii)、(b,ii)所示,从而得到延迟关系τd。(c)中点给出了2个子脉冲下10组测试射频频率差对应的延迟，误差棒表示拟合误差；曲线是根据(1)式对实验设置参属下计算得出的理论延迟-频率差关系。这里由于自相关仪量程的限制，我们无法直接测出更长时间延迟的子脉冲，但实验数据(点)与理论计算(线)吻合极好，基本验证了本设计对输出脉冲序列延迟调控的可行性。
图7展示了两个、三个及六个子脉冲序列下的冷原子俘获损失光谱。这里冷原子系统可看作一高频域精度(MHz级别)的光谱仪。对于其共振频率的光，原子响应达到最大，表现为原子阱中俘获的原子数大量减少。由于出射子脉冲之间的延迟及各自带有的相位，在频域上会形成强弱间隔的干涉条纹，通过控制调整脉冲相位，可使得特定频率的信号强度得到加强，而这可被冷原子系统形成的精密光谱仪探测到。图7(a)展示了N＝2个子脉冲下，扫描射频信号相对相位差
Figure BDA0002347453990000091
俘获原子数的相对改变
Figure BDA0002347453990000092
(方块为延迟τd＝96ps,圆圈为延迟τd＝24ps下实验测试)，误差棒表示多次测量所得原子数的不确定性。相对俘获原子数损失随射频相对相位呈现出稳定的
Figure BDA0002347453990000093
型变化，验证了式(3)的正确性。更进一步，我们测试了N＝3个子脉冲下(延迟τd＝24ps)的相位调控，固定射频相位
Figure BDA0002347453990000098
对射频信号
Figure BDA0002347453990000094
从0至2π作2D扫描。图7(b，i)展示了这一2D相位扫描下的原子俘获率变化。为作比较，在图7(b，ii)中，模拟了
Figure BDA0002347453990000095
的图像，后者的形式可由式(3)计算得出，两者结构基本一致。在图7(c)中,测试了N＝6个子脉冲下(相邻两个子脉冲延迟τd＝24ps)的相对俘获原子数随相对相位变化曲线。这里为展示方便，扫描相位时我们设定
Figure BDA0002347453990000096
并且
Figure BDA0002347453990000097
设置为对应原子俘获损失最大的相位(即(b)中标记“E”处)。由测试结果可明显看到，当相位不一致时，原子俘获损失率大大减少，这也证明了本发明对相位调控的可行性。值得一提的是，上述测试经历了6小时以上时间，说明本系统具有极高的相位稳定性。
结合延迟与相位调控，为更直观展示，图8中我们模拟重构了时域上的子脉冲序列，其中标记A-J对应于图7中相应标记处的相位。图中实线为脉冲强度，虚线为脉冲电场实部。
另外各个子脉冲幅值的调控可简单的由相应射频信号的幅值调控，在实际实验测试应用中已经多次得到验证，这里我们就不再展示测试结果。

Claims (13)

1.一种基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，实现对皮秒级超短脉冲序列的幅值、相位及延迟的精确高速编程性调控，进而获得近THz带宽，相干时间达1纳秒的任意波形脉冲光，可用于原子/分子光学跃迁的量子调控；具体步骤如下：
(1)利用基于布拉格衍射的多频声光调制，将入射锁模激光束衍射到多个方向；
(2)利用长焦距、大成像视野透镜组，将多方向衍射光束转换为弱聚焦的多路平行光束，并入射于大面积光栅；
(3)在弱聚焦光的瑞利范围
Figure FDA0002944956570000011
内对多路平行入射光同时实现高效反向衍射，再次经过所述透镜组，实现二次声光调制；
(4)利用反向衍射光在二次声光调制中的时间反演对称性，实现高效反向声光衍射及单模输出耦合，从而获得高品质空间模式,延时范围高达
Figure FDA0002944956570000012
的多子脉冲输出，并耦合到单模器件；这里c为光速；
(5)在上述过程中，通过编程控制驱动声光调制的射频信号频率、振幅和相位，精确控制输出子脉冲序列光脉冲的相对延时、振幅及相位；
(6)同时利用连续光声光调制拍频信号实时检测子脉冲光路的相位和声光衍射效率稳定性，通过射频信号实时纠正相对相位漂移并对衍射效率实现非线性修正。
2.根据权利要求1所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，考虑脉宽为τ，频谱宽度Δf＝1/πτ,频谱变换极限下的锁模激光输入，通过精确编程N个等间隔延时τd>τ的子脉冲序列，实现脉宽τM＝Nτd，τM＜τmax受限于最大延时范围,调制带宽高达ΔfM≈1/πτd，振幅/相位任意可调的准连续激光波形输出；
利用脉宽τM＝Nτd,调制带宽高达ΔfM≈1/πτd,相位稳定，波形在调制带宽内任意可控的准连续激光波形输出，代替常规连续激光和低速调制激光，用于实现原子和分子的高效电偶极激发及内外量子态优化调控。
3.根据权利要求2所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，利用多组4F成像系统及多光栅反向衍射增大延时范围τmax，实现纳秒级或更长的
Figure FDA0002944956570000013
Figure FDA0002944956570000014
延时范围,获得GHz级或更精细的量子调控能量分辨率。
4.根据权利要求3所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，步骤(1)中所述利用基于布拉格衍射的多频声光调制、将入射锁模激光束衍射到多个方向，是利用多频声光调制对中心波长为λ的入射锁模激光脉冲实现多角度衍射，具体流程为：圆频率为ωi的声波在声光晶体中驱动波数ks,i＝ωi/vs的折射率光栅，vs为晶体声速；在接近布拉格入射条件下将入射光波矢kin移为kout,i＝kin+ks,iey,产生衍射角度为θi＝ωiλ/vs的衍射光，ey为y方向单位矢量；对i＝1,…,N多频声波，入射光被同时衍射到多个θi方向；这里声波频率ωi完全等于射频信号的频率ωi，由编程控制。
5.根据权利要求4所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，步骤(2)中所述利用长焦距、大成像视野透镜组，将多方向衍射光束转换为弱聚焦的多路平行光束，具体为：设入射高斯光束腰宽为w，透镜组的有效焦距为F，则经过透镜组后平行光中心位置为yi＝sinθiF,弱聚焦光聚焦点处高斯腰宽为
Figure FDA0002944956570000021
瑞利范围为
Figure FDA0002944956570000022
6.根据权利要求5所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，步骤(3)中所述在弱聚焦光的瑞利范围
Figure FDA0002944956570000023
内对多路平行入射光同时实现高效反向衍射，具体为利用大面积光栅对聚焦高斯光束瑞利范围
Figure FDA0002944956570000024
内对中心位置yi的所有多平行光束同时实现反向衍射，实现正比于2yi/c延时范围接近
Figure FDA0002944956570000025
的τi光学延迟，其中，光栅常数为d，具体表达为：
Figure FDA0002944956570000026
7.根据权利要求6所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，步骤(4)中所述利用反向衍射光在二次声光调制中的时间反演对称性，实现高效反向声光衍射及单模输出耦合；具体是形成高效kout＝-kout,i+ks,iey＝-kin衍射，获得单次衍射角θi无关的kout＝-kin高品质单模输出，并耦合到单模器件。
8.根据权利要求7所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，步骤(5)中所述通过编程控制驱动声光调制的射频信号频率、振幅和相位，精确控制输出子脉冲序列光脉冲的相对延时、振幅及相位；具体为，设射频信号的频率、振幅、相位为
Figure FDA0002944956570000027
精确控制声波信号的频率、振幅、相位为
Figure FDA0002944956570000028
进而精确控制光学子脉冲序列的相对延时、振幅转换系数及相位为
Figure FDA0002944956570000029
除式(1)描述的ωi～τi关系，振幅转换系数和相位传递函数表征如下：
Figure FDA00029449565700000210
Figure FDA00029449565700000211
其中，
Figure FDA00029449565700000212
是基于二次声光调制的小信号近似，η为转换系数，|Ai|2<1为光强转换率，而
Figure FDA00029449565700000213
项计入声光调制过程即射频信号放大-射频声波激发-布拉格衍射的Ai,c高阶非线性贡献；通过降低线性衍射效率
Figure FDA00029449565700000214
来限制
Figure FDA0002944956570000031
的非线性贡献，或者通过实时拍频测量，通过调节射频信号参数
Figure FDA0002944956570000032
对目标光脉冲的振幅和相位进行非线性修正。
9.根据权利要求8所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，步骤(6)中所述,同时利用连续光声光调制拍频信号实时检测子脉冲光路的相位和声光衍射效率稳定性，具体为，利用声光调制的频移特性，通过检测稳频激光同向输出同参考激光的2ωi拍频型号的振幅Ap,i、相位
Figure FDA0002944956570000033
推测延时脉冲的强度Ai、相位
Figure FDA0002944956570000034
由于稳频激光经历的光路和脉冲激光空间上完全重合，通过对拍频测量过程中的时间零点和脉冲激光同步，有Ap,i∝Ai，及
Figure FDA0002944956570000035
常数；而参考激光引入的相位常数并不影响子脉冲相对相位的确定；通过测量值和设定值的对比，可调解射频参数
Figure FDA0002944956570000036
对脉冲光
Figure FDA0002944956570000037
进行非线性修正，以有效保证脉冲光路相位和振幅的长时间稳定性。
10.根据权利要求9所述的基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法，其特征在于，加入光开关，在单模输出中对稳频激光和脉冲激光实现时域分离，以避免二者在测量和应用中互扰。
11.一种基于权利要求1-10之一所述光脉冲调控方法的多频声光调制及光栅衍射光脉冲调制系统，其特征在于，包括：射频信号编码模块，声光调制模块，光学透镜系统，光栅模块，稳频光系统监测模块；其中：
所述射频信号编程模块，其中使用者编写射频信号各组分的频率、幅值及相位；编写好的射频信号被整合放大后以正弦波的形式传至声光调制模块；
所述声光调制模块，其中声光器件采用声光调制器或声光偏转器；由声光器件将射频信号转化为相应频率、强度及相位的声波，对入射的脉冲激光产生多角度衍射，从而达到分束目的；基于声光调制原理，衍射子脉冲光束与入射光束的夹角在小角度近似下正比于声波信号频率；通过对射频信号的频率组分数量及频率编程，可任意改变衍射光的数量及方向；而各衍射子脉冲光束的强度及相位亦由相应频率的声波信号强度及相位编程调制；
所述光学透镜系统，对由声光效应衍射分束的子脉冲经进行准直，该光学透镜系统的作用是将子脉冲传播方向差异转化为横向位置差异，即传播方向准直，同时对光束实现弱聚焦，以提高下一步光栅衍射的光学带宽；
所述光栅模块，置于弱聚焦子脉冲的聚焦腰束附近，其衍射角度优化于-1级；由于不同子脉冲光束的横向位置不同，导致反向衍射子脉冲之间形成光程差及相应延迟；该延时由光学透镜系统焦距及声光调制系统的衍射角度差决定，进而完全由射频信号频率编程控制；
在光栅上反向衍射的各子脉冲再次通过光学透镜系统及声光调制模块；所述光栅反向衍射发生于高斯光腰附近，衍射几乎是波前的时间反演，该对称性保证被两次相同频率声波衍射的激光沿最初的入射方向反向出射，且衍射效率几乎相同；其结果是所有分光束在入射光的反方向再次合束；再利用单模光纤将这部分光束筛选出来，作为出射脉冲序列的单模输出；
通过控制脉冲序列的数目、间隔、强度、相位，以单脉冲谱宽为调制带宽，在总延时决定的相干时间内编程逼近理想的任意波形脉冲，实现可精确快速编程性的脉冲波形优化；
所述稳频光系统监测模块，用于对子脉冲的强度和相位进行实时检测，并做出反馈调制。
12.根据权利要求11所述的多频声光调制及光栅衍射光脉冲调制系统，其特征在于，所述稳频光系统监测模块的工作流程为：将与脉冲激光同波长的作为监测光的连续稳频激光合束注入系统，经过与脉冲激光经过完全相同的调制光路，并经历两次声光调制；由声光调制原理，单模输出的连续光亦拥有附加射频频率移动分量，通过和光学局域场外差测量形成拍频信号，并被光电二极管准确探测，进而获得各光学频率分量的相位差、强度差；由于连续光与脉冲激光共享同一光路，因此该拍频信号分量的相位及强度差对应于脉冲序列各个子脉冲的相位及强度差。
13.根据权利要求11所述的多频声光调制及光栅衍射光脉冲调制系统，其特征在于，所述光栅模块中光栅实用四倍焦距多光栅系统。
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