单腔双光梳激光器用于ASOPS异步光学采样泵浦-探测应用

快速精确的薄膜检测

介绍

泵浦-探测采样是一种强大有效的技术，主要用于观察材料和生物系统中的超快过程 （fs到 ns）。将超短激光脉冲（“泵浦"脉冲）照射到样品上，从而激发样品内的物理过程或化学反应。随后，一束有时间延迟的第二束激光脉冲（“探测"脉冲）穿过样品，以测量由于初始激发而导致的样品光学性质的变化。通过改变泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟时间，可以获得样品对泵浦脉冲响应的详细时间记录，且具有较高的时间分辨率。

泵浦-探测采样在材料科学和化学领域特别有用，它有助于理解能量转移、光化学和其他重要过程的基本机制。实现高性能泵浦-探测测量系统有多种方法。下图从概念上比较了实现优异性能的泵浦-探测装置所需的设备。K2-Photonics激光解决方案能够以简单的方式实现高性能的泵浦-探测测量，使这种泵浦-探测方法在实际应用中易于部署。

主要挑战：光学延迟扫描

更长的泵浦-探测延迟通常是解析表面声波和热动力学所必需的，在皮秒超声等应用中也是如此。长扫描范围能够研究总厚度达数十微米的复杂薄膜叠层，例如现代半导体微芯片中遇到的那些。不幸的是，使用机械延迟线进行如此长距离的扫描速度很慢，由于光束偏转或发散容易产生系统误差，并且需要复杂的光机械系统。此外，缓慢的光学延迟扫描速度需要对信号进行锁相检测以获得高灵敏度，这进一步增加了系统的复杂性。

无需移动部件的快速光学延迟扫描：双激光方法

异步光学采样（ASOPS）是一种在泵浦 - 探测测量中获取长光延迟扫描的替代方法。它使用两种不同的光脉冲速率，一种用于泵浦光，另一种用于探测光，这使得能够精确且快速地扫描两者之间的光延迟。这种技术常用于超快光声和其他瞬态吸收研究。扫描范围由泵浦光的重复频率决定，扫描速度则由泵浦光和探测光的重复频率之差决定。

下表总结了ASOPS的关键参数：

异步光采样（ASOPS）通常使用两个独立的超快激光器来实现，这两台激光器通过高频锁相环和高带宽反馈电子设备进行同步。使用异步光采样（ASOPS）实现精确的定时控制需要高测量和反馈带宽，以在时间轴上获得飞秒级的精度。

无移动部件的快速光学延迟扫描：单激光方法

K2-Photonics公司为异步光采样（ASOPS）技术研发出了一种解决方案，该方案使用单台激光器实现光延迟扫描，无需两个独立的超快激光器。这是通过在单个激光腔内产生两束脉冲序列来实现的，每束脉冲序列可分别用作泵浦源和探测源。

与传统的双激光器异步光采样系统相比，这种单腔双梳状激光解决方案具有诸多优势。首先，它极大地简化了实验装置，减少了所需的组件数量，使系统更加紧凑和稳定。其次，由于泵浦源和探测源都来自同一个激光腔，具有相关的脉冲噪声特性，因此提高了时间轴的稳定性。这消除了两个独立立激光器之间对电子反馈回路的需求，大大提升了系统的整体稳定性。 

散粒噪声限制信号检测能力

K2 Photonics 选择了固态激光技术来创建他们的单腔双梳激光器系统。该技术使激光在高频下具有超低强度的噪声。通常，对于高于 1 MHz 的频率，相对强度噪声 （RIN） 低于 -160 dBc/Hz。这种低本底噪声对 ASOPS 特别有利，因为大多数感兴趣的信号位于不受激光噪声影响的高频上。事实上，信号上的噪声主要来自探针检测光电二极管的散粒噪声，这仅由光电二极管的探针功率和响应度决定。因此，在 K2 Photonics 系统中使用固态激光技术可实现更高的信噪比 ASOPS 测量，并具有优异的线性时间延迟轴，使其成为超快光谱和其他应用的更灵敏的工具。

K2 Photonics 在泵浦探测应用中的优势

•  精度高

单腔结构和共噪声抑制确保了整个光学延迟扫描过程中时间轴上的飞秒级精度。

•  体积小

无需机械延迟块和锁相放大器，大大简化了高性能泵浦探头设置的实现流程。

•  灵敏度高

锁模固体激光器在高频下产生具有超低噪声（RIN 和定时）的激光，可实现高灵敏度测量。