以MRC光束穩(wěn)定系統(tǒng)在光路中防止激光漂移的實際案例

在本研究中，研究人員展示了一種低噪聲且高功率的紅外頻率梳，其振蕩器和放大器采用了基于YG的固態(tài)激光技術(shù)，使用的設(shè)備中有MRC的光束穩(wěn)定系統(tǒng)，與廣泛使用的光纖放大器相比，固態(tài)放大器的相互作用長度更短，光束橫截面更大。因此，增益介質(zhì)的非線性響應(yīng)更小，無需使用脈沖啁啾放大，避免了對頻率梳的相位噪聲可能產(chǎn)生的影響。使用Yb：YAG 飛秒放大器，獲得了 360 w的輸出功率，在經(jīng)過光隔離器和空間模式濾波器后，保留了 270 w。由于增益介質(zhì)的增益帶寬有限，導(dǎo)致譜寬變窄，從而使脈沖持續(xù)時間限制在約 1ps左右。使用常規(guī)非線性光纖進行脈沖的非線性譜展寬，由于自聚焦效應(yīng)，其峰值功率限制在約 4 Mw。研究者采用了多程單元譜展寬（MPCSB）方案，并將脈沖持續(xù)時間壓縮至 59 ps。

本文中的激光系統(tǒng)通過將 Yb：YAG放大器與 MPCSB 脈沖壓縮方案相結(jié)合，實現(xiàn)了3Mw的峰值功率，這適用于驅(qū)動用于超快光產(chǎn)生的增強腔,且足夠低的相位噪聲.

如上圖所示，該儀器基于一臺商用鈦藍(lán)寶石啁啾脈沖放大系統(tǒng)，用于該光譜儀的放大器（5 mJ）的一部分泵浦一臺商用光學(xué)參量放大器和一臺非共線差頻生成單元。在放大器和光學(xué)參量放大器之間使用了一套主動激光束穩(wěn)定系統(tǒng)（MRC Systems GmbH），以提高脈沖間的穩(wěn)定性并防止長時間的對準(zhǔn)漂移。

隨后，中紅外驅(qū)動光束通過一系列偏振光學(xué)元件傳輸，這些元件包括一對金屬柵極偏振器(用于控制場強)，以及安裝在電動旋轉(zhuǎn)臺上的非色散半波片，用于控制 sHHG 偏振態(tài)以進行各向異性測量。中紅外驅(qū)動光束通過 3 mm厚的 CaF2 窗口進入和離開真空室。聚焦和準(zhǔn)直光學(xué)元件是兩個未涂覆的平凸 CaF2 鏡片，焦距為 50mm。由于真空室的尺寸，聚焦和準(zhǔn)直光學(xué)元件都放置在室內(nèi)。兩個鏡片都安裝在由壓電直線驅(qū)動器驅(qū)動的電動直線移動臺上，其縱向位置可以從室外遠(yuǎn)程控制，從而能夠在真空條件下對其進行優(yōu)化。這使得能夠?qū)�樣品表面的有效光束尺寸進行高度動態(tài)控制，直至焦點處的直徑達到 50um。

本文進行了溫度和強度相關(guān)的測量，以直接探究Mott相變隨溫度的變化情況，從而展示了該儀器在研究固體中重要相變方面的實用性。下圖是在中紅外強度高于Mott相變（0.473 ± 0.015 TW/cm2）的情況下收集的。激光模式（實心三角形）清晰地顯示了隨著溫度的變化而產(chǎn)生的能量偏移，而諧波（實心圓）則在溫度變化方面幾乎沒有偏差，研究人員將其歸因于驅(qū)動光的光子能量的輕微熱漂移。

綜上所述，該儀器基于一個閉式循環(huán)氦低溫裝置（配備主動激光束穩(wěn)定系統(tǒng)MRC Systems GmbH）。目前，該儀器能夠進行低至16 K的測量，通過輻射屏蔽還有可能達到更低的溫度。為了評估該儀器的性能，通過從低于閾值密度光譜中提取PL的峰值光子能量，并用公式擬合峰值光子能量隨溫度的變化關(guān)系，研究了 ZnO 中帶隙隨溫度的變化情況。盡管由于現(xiàn)有文獻資料中關(guān)于 ZnO 的溫度依賴性帶隙存在不一致之處而存在不確定性，但結(jié)果表明，在光學(xué)相互作用區(qū)域保持低溫的同時，用足以達到非擾動狀態(tài)并產(chǎn)生強超短脈沖超連續(xù)放大信號的強度照射 ZnO 薄膜是可行的。這表明在超快中紅外驅(qū)動場作用下樣品加熱的影響不足以排除低溫測量，解決了該領(lǐng)域關(guān)于強脈沖飛秒光照射下有效樣品溫度的爭論。這為利用超高速高能激光光譜技術(shù)的獨特優(yōu)勢來研究低溫下的廣泛物質(zhì)動態(tài)變化提供了可能。

參考文獻：
1. Kohrell F, Nebgen BR, Spies JA, Hollinger R, Zong A, Uzundal C, et al. A solid-state high harmonic generation spectrometer with cryogenic cooling. Review of Scientific Instruments 2024; 95(2).

MRC Systems GmbH成立于1995年，是由德國海德堡大學(xué)和德國癌癥研究中心（DKFZ）共同成立的，為包括激光和醫(yī)療技術(shù)等 各個領(lǐng)域開發(fā)和生產(chǎn)具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品。

經(jīng)過近30年的發(fā)展，MRC公司在世界各地已經(jīng)成功生產(chǎn)和出售多種激光領(lǐng)域的產(chǎn)品。MRC公司的激光領(lǐng)域的產(chǎn)品主要是光束穩(wěn)定系統(tǒng)，已獲得ISO 13485認(rèn)證。

優(yōu)勢：
◆該系統(tǒng)能確�？偸怯幸粋�穩(wěn)定的光束位置和方向
◆確保準(zhǔn)直隨著時間的推移始終保持穩(wěn)定
◆精度優(yōu)于0.1 μm / 0.1 μrad
◆只需將組件插入到光路中，無需在重新調(diào)整過程中花費時間

特點：
◆模擬的閉環(huán)控制，沒有延遲和數(shù)字化步驟，速度更快、精度更高。
◆一鍵式開關(guān)，不需要參數(shù)設(shè)置，也可以不需要用電腦來通過軟件來控制，使用快速且簡單
◆可以不需要分光片，因為可以利用反射鏡本身透過的一小部分激光來探測
◆易于集成到現(xiàn)有的光路系統(tǒng)中-
◆鏡架是純壓電驅(qū)動的，不會出現(xiàn)因電機啟動導(dǎo)致的跳變現(xiàn)象，穩(wěn)定性更高
◆體積小巧緊湊

性能規(guī)格：
◆所有波長:190nm ~ 3000μm，包括太赫茲波段(標(biāo)準(zhǔn)探測器波長范圍:320nm ~ 1100nm)
◆所有重復(fù)頻率：從單脈沖到cw所有脈沖持續(xù)時間(as, fs, ps, ns，…)
◆大動態(tài)范圍：可選WID檢測器，強度變化系數(shù)>1000
◆高速控制:連續(xù)信號處理，無采樣延遲
◆分辨率/精度:<0.1 μm;<0.1 μrad(小至10 - 100 nm)
◆鏡面直徑:0.5至4英寸(根據(jù)要求提供其他尺寸)