高重復頻率為GHz的皮秒脈沖光由于其重復頻率高、脈沖寬度窄等優點，被廣泛應用于生物光子學、激光工業加工和高速精密測量等領域。為引導和控制測量儀器或加工系統，需要對脈沖光場進行調控。針對脈沖光場調控的需要，可采用4F系統將激光脈沖的光頻在空間上展開，進而實現在空間上對不同頻率光的相位、振幅及偏振態進行調控。經典4F脈沖整形系統采用衍射光柵作為主色散元件，入射脈沖經光柵衍射后在焦平面處發生干涉并實現光頻分離。作為一種新型色散元件，虛像相位陣列（VIPA）利用多光束干涉原理實現光譜色散。與衍射光柵或棱鏡等傳統色散元件相比，VIPA具有極高的角色散率，且具備結構緊湊、偏振敏感性低等優點。
據麥姆斯咨詢報道，為實現GHz高重頻皮秒脈沖的產生與精細調控，華東師范大學的科研團隊提出了一種基于數字微鏡器件（DMD）的二維光場調控系統。該系統利用VIPA與衍射光柵將輸入激光脈沖的光譜二維空間展開，并使用放置于傅里葉平面處的DMD進行光頻調制。DMD由排布在互補金屬氧化物半導體（CMOS）上的微米級鋁反射鏡構成，通過控制微反射鏡的開關狀態可對特定光譜成分進行選擇，從而實現對時域脈沖的精細調控。相關研究內容以“基于數字微鏡器件的二維紅外光場調控（特邀）”為題發表在《紅外與激光工程》期刊上。
原理分析
系統布局
基于數字微鏡器件的二維紅外光場調控系統布局如圖1所示，其中將入射光軸方向定義為z方向。該系統由一臺鎖模摻鉺光纖激光器輸出脈沖激光。入射光經單模光纖環形器后，通過準直器進行空間輸出，光斑直徑約為2.1 mm。準直光束由y方向會聚的柱面透鏡線聚焦至VIPA的入射窗口。入射的脈沖激光通過VIPA實現y方向的光譜色散。隨后，經過柱透鏡對組成的擴束系統沿x方向擴束5倍后，由衍射光柵（刻線密度為966線/mm）將輸出光中混疊的光譜成分沿x方向色散展開，從而實現激光脈沖的二維光譜色散。
圖1 基于數字微鏡器件的二維紅外光場調控系統布局
二維光場調控原理
虛像相位陣列的結構類似于法布里-珀羅（Fabry–Perot）腔，但與之不同，其入射面除入射窗口外均鍍有高反膜（反射率約為100%），出射面則鍍有部分反射膜（反射率約為96%）。入射光通過柱面透鏡進行線聚焦，并以微小角度經鍍有增透膜（AR）的入射窗口射入VIPA。在腔體結構內進行多次反射的過程中，每次反射都會有部分光束由出射面射出，形成具有恒定相位差的虛擬光源陣列。最終，經過多光束干涉后，VIPA輸出光展現出極高的角度色散特性。基于虛像相位陣列和衍射光柵的二維色散裝置，實現了脈沖光頻與平面像素之間的映射對應，顯著提高了二維光場的光譜分辨率，并為脈沖光場調控提供了更大的可操作帶寬。
實驗與結果討論
二維光譜映射
根據圖1搭建了二維光場調控裝置，并測試了系統的光譜色散效果。鎖模摻鉺光纖激光器輸出重復頻率約為40.22 MHz，中心波長在1565 nm附近的脈沖激光。在入射光空間輸出前測試其光譜如圖2(a)所示，光譜呈高斯型，半高全寬約為6.35 nm。將短波紅外相機放置于系統傅里葉平面處以觀察脈沖激光經二維光譜色散后的光場分布，結果如圖2(b)所示。
圖2 (a)激光器輸入光譜圖；(b)傅里葉平面處的光場分布
為進一步驗證光場空間分布與光頻的對應關系，使用USAF1951分辨率測試靶進行成像分析。該測試靶在透明的鈉鈣玻璃基底上鍍有可反射鉻圖案。照射在靶面反射圖案上的光譜成分得以返回，照射在透明基底上的光線則透射通過。將分辨率靶放置于系統的傅里葉平面處，并對其第0線組（空間分辨率：1.12線對/mm）的數字圖案“2”進行光場還原。
圖3 (a)分辨率測試靶調制光譜圖；(b)圖案還原效果
高重頻脈沖的產生與調控
為驗證系統對脈沖光場調控的可行性，使用DMD對傅里葉平面處特定的頻率成分進行強度調制，并對調控結果進行了觀測與分析。所使用DMD的可調控像素數超過100萬個，分辨率為1280×800，像素大小為10.8 μm。作為一種高速空間光調制器，DMD可通過調控微型反射鏡陣列的偏轉角度實現對入射光場的精確控制。通過將DMD微鏡陣列中的部分像素設置為“打開”狀態，特定頻率成分得以沿入射方向原光路返回。將微鏡陣列中的其他像素設置為“關閉”狀態，反射光則向遠離入射方向傾斜，對應的光頻成分難以返回。
圖4 (a)DMD調制前光譜圖；(b)DMD調制后光譜圖
將調制區域擴展為橫向線條狀（像素數目：1280×10），以選中二維色散線陣中相鄰條紋同一橫向位置處的光譜成分，如圖5(a)所示；經DMD線狀調制后的光譜如圖5(b)所示；使用自相關儀對輸出時域信號進行測量，結果如圖5(c)所示；
圖5 DMD單線條調制結
將調制區域由線條狀擴展為等間距的條紋，單個線條像素數目為1280×10，相鄰橫向線條間隔10個像素點，并布滿整個微鏡陣列像面。在相鄰干涉級次范圍內分布約有15條橫向線條，相當于將自由光譜范圍內的光譜成分平均分割，并選中光譜間隔約為4 GHz的光譜成分，相關結果如圖6所示。
圖6 DMD等間隔條紋調制結果
基于DMD較強的可編程性，對微鏡陣列的調制區域進行了靈活控制。通過對傅里葉平面處的特定光頻進行強度調制，觀測到輸出光譜及時域信號脈沖特征的相應變化，初步驗證了系統對脈沖光場的調控效果。
結論
文中針對高重頻皮秒脈沖光產生及調控的需要，提出了一種基于數字微鏡器件的二維紅外光場調控系統。利用虛像相位陣列及衍射光柵將輸入激光脈沖的光譜二維空間展開，并使用放置于傅里葉平面處的數字微鏡器件實現對脈沖頻率成分的強度調制。根據二維光場分布的物理模型，對系統的色散效果進行了理論分析。對所提出系統的二維光譜映射效果進行驗證，結果表明，傅里葉平面處光場呈線陣排列，且空間分布與脈沖光頻之間映射對應。為驗證系統脈沖調控的可行性，利用數字微鏡器件選中空間展開下特定的頻率成分，得到了數量超過52個、重復頻率為60 GHz的脈沖序列，并可對其進行250 ps及500 ps的相對延時控制，調控信噪比可達46.02 dB。該二維光場調控系統兼具高光譜分辨率與超寬帶范圍，展現出較高的控制精度與調制速度，同時具備可編程性和良好的擴展性，為超短脈沖的產生與調控提供了一種有效可行的方案。
論文鏈接：
https://dx.doi.org/10.3788/IRLA20240615
