超快飞秒光学新工具！单腔双光梳的泵浦探测应用前景

介绍

单腔双光梳技术是近年来光学领域备受瞩目的研究方向之一。这项技术不仅在光谱分析、激光测距、厚膜检测、泵浦探测等领域具有重要应用前景，还为研究精密光谱学、量子光学、光子学等提供了全新的研究平台。

正文

单腔双光梳技术是近年来光学领域备受瞩目的研究方向之一。它利用了光学微腔的特殊结构和双光梳的高度频率稳定性，实现了在单个微腔中同时产生两个频率间隔均匀的光学频率梳。这项技术不仅在光谱分析、激光测距、厚膜检测、泵浦探测等领域具有重要应用前景，还为研究精密光谱学、量子光学、光子学等提供了全新的研究平台。

泵浦探针采样

泵探针采样是一种强大的技术，可用于观察材料和生物系统中的超快过程（飞秒、纳秒）。它将短而强的激光脉冲照射到样品上（“泵浦”脉冲），从而激发样品并引发物理过程或反应。延时的第二个激光脉冲（“探测”脉冲）被发送穿过样品，以测量由于初始激发而发生的光学特性的变化。通过改变泵脉冲和探测脉冲之间的延迟，可以获得具有高时间分辨率的样品对泵浦脉冲响应的详细时间记录。

泵浦探针采样在材料科学和化学中特别有用，可以帮助了解能量转移、光化学和其他重要过程的基本机制。 目前有多种方法可以实现高性能泵浦探针测量系统。下图从概念上比较了获得性能泵浦探针设置所需的元素。

关键挑战：光学延迟扫描

为了解析表面声波和热动力学，以及皮秒超声波等应用，通常需要使用长扫描范围的泵浦-探测光延迟。长扫描范围能够研究总厚度为几十微米的复杂薄膜叠层，例如现代半导体微芯片中遇到的薄膜叠层。不幸的是，目前使用机械延迟线在如此长的距离上扫描速度很慢，并且容易受到光束偏转或发散造成的系统误差的影响，为此，光路设计上会需要更复杂的光机械结构。此外，缓慢的光学延迟扫描速度需要对信号进行锁定检测来获得高灵敏度，这也进一步增加了系统的复杂性。

无需移动部件即可进行快速光学延迟扫描：光学异步采样（ASOPS）

ASOPS是在泵浦探针测量中获得长范围光学延迟扫描的另一种方法。它使用两种不同的光学脉冲速率，一种用于泵浦，一种用于探头，从而可以精确、快速地扫描它们之间的光学延迟。 该技术通常用于超快光声和其他瞬态吸收研究。在这过程中，扫描范围一般由泵浦重复率决定，而扫描速度则由重频差决定。ASOPS 通常使用两个独立的脉冲激光器激光器来实现，这两个激光器通过高频锁相环和高带宽反馈电子设备进行同步，以获得时间轴上的飞秒级精度。

采用单腔双梳的光学异步采样

使用单腔双梳即可代替两个单独的飞秒激光器进行光学异步采样。在单个激光腔内生成两个具有一定差异的短脉冲，而每个脉冲序列即可分别用作泵浦源和探测源。与传统的双激光器 ASOPS系统相比，这种单腔双梳激光解决方案具有多种优势。首先，它极大地简化了实验设置，减少了所需组件的数量，并使系统更加紧凑和稳定。其次，它可以提高时间轴稳定性，因为泵浦源和探测源都是从同一激光腔产生的，因此具有相关的脉冲噪声特性。这抑制了两个独立激光器之间对电子反馈回路的需求，并大大提高了系统的整体稳定性。

审核编辑 黄宇