[发明专利]基于多频声光调制及光栅衍射的光脉冲调控方法和系统

说明书

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。

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；