基于数字微镜器件的二维红外光场调控系统

高重复频率为GHz的皮秒脉冲光由于其重复频率高、脉冲宽度窄等优点，被广泛应用于生物光子学、激光工业加工和高速精密测量等领域。为引导和控制测量仪器或加工系统，需要对脉冲光场进行调控。针对脉冲光场调控的需要，可采用4F系统将激光脉冲的光频在空间上展开，进而实现在空间上对不同频率光的相位、振幅及偏振态进行调控。经典4F脉冲整形系统采用衍射光栅作为主色散元件，入射脉冲经光栅衍射后在焦平面处发生干涉并实现光频分离。作为一种新型色散元件，虚像相位阵列（VIPA）利用多光束干涉原理实现光谱色散。与衍射光栅或棱镜等传统色散元件相比，VIPA具有极高的角色散率，且具备结构紧凑、偏振敏感性低等优点。

为实现GHz高重频皮秒脉冲的产生与精细调控，华东师范大学的科研团队提出了一种基于数字微镜器件（DMD）的二维光场调控系统。该系统利用VIPA与衍射光栅将输入激光脉冲的光谱二维空间展开，并使用放置于傅里叶平面处的DMD进行光频调制。DMD由排布在互补金属氧化物半导体（CMOS）上的微米级铝反射镜构成，通过控制微反射镜的开关状态可对特定光谱成分进行选择，从而实现对时域脉冲的精细调控。相关研究内容以“基于数字微镜器件的二维红外光场调控（特邀）”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。

原理分析

系统布局

基于数字微镜器件的二维红外光场调控系统布局如图1所示，其中将入射光轴方向定义为z方向。该系统由一台锁模掺铒光纤激光器输出脉冲激光。入射光经单模光纤环形器后，通过准直器进行空间输出，光斑直径约为2.1 mm。准直光束由y方向会聚的柱面透镜线聚焦至VIPA的入射窗口。入射的脉冲激光通过VIPA实现y方向的光谱色散。随后，经过柱透镜对组成的扩束系统沿x方向扩束5倍后，由衍射光栅（刻线密度为966线/mm）将输出光中混叠的光谱成分沿x方向色散展开，从而实现激光脉冲的二维光谱色散。

图1 基于数字微镜器件的二维红外光场调控系统布局

二维光场调控原理

虚像相位阵列的结构类似于法布里-珀罗（Fabry–Perot）腔，但与之不同，其入射面除入射窗口外均镀有高反膜（反射率约为100%），出射面则镀有部分反射膜（反射率约为96%）。入射光通过柱面透镜进行线聚焦，并以微小角度经镀有增透膜（AR）的入射窗口射入VIPA。在腔体结构内进行多次反射的过程中，每次反射都会有部分光束由出射面射出，形成具有恒定相位差的虚拟光源阵列。最终，经过多光束干涉后，VIPA输出光展现出极高的角度色散特性。基于虚像相位阵列和衍射光栅的二维色散装置，实现了脉冲光频与平面像素之间的映射对应，显著提高了二维光场的光谱分辨率，并为脉冲光场调控提供了更大的可操作带宽。

实验与结果讨论

二维光谱映射

根据图1搭建了二维光场调控装置，并测试了系统的光谱色散效果。锁模掺铒光纤激光器输出重复频率约为40.22 MHz，中心波长在1565 nm附近的脉冲激光。在入射光空间输出前测试其光谱如图2(a)所示，光谱呈高斯型，半高全宽约为6.35 nm。将短波红外相机放置于系统傅里叶平面处以观察脉冲激光经二维光谱色散后的光场分布，结果如图2(b)所示。

图2 (a)激光器输入光谱图；(b)傅里叶平面处的光场分布

为进一步验证光场空间分布与光频的对应关系，使用USAF1951分辨率测试靶进行成像分析。该测试靶在透明的钠钙玻璃基底上镀有可反射铬图案。照射在靶面反射图案上的光谱成分得以返回，照射在透明基底上的光线则透射通过。将分辨率靶放置于系统的傅里叶平面处，并对其第0线组（空间分辨率：1.12线对/mm）的数字图案“2”进行光场还原。

图3 (a)分辨率测试靶调制光谱图；(b)图案还原效果

高重频脉冲的产生与调控

为验证系统对脉冲光场调控的可行性，使用DMD对傅里叶平面处特定的频率成分进行强度调制，并对调控结果进行了观测与分析。所使用DMD的可调控像素数超过100万个，分辨率为1280×800，像素大小为10.8 μm。作为一种高速空间光调制器，DMD可通过调控微型反射镜阵列的偏转角度实现对入射光场的精确控制。通过将DMD微镜阵列中的部分像素设置为“打开”状态，特定频率成分得以沿入射方向原光路返回。将微镜阵列中的其他像素设置为“关闭”状态，反射光则向远离入射方向倾斜，对应的光频成分难以返回。

图4 (a)DMD调制前光谱图；(b)DMD调制后光谱图

将调制区域扩展为横向线条状（像素数目：1280×10），以选中二维色散线阵中相邻条纹同一横向位置处的光谱成分，如图5(a)所示；经DMD线状调制后的光谱如图5(b)所示；使用自相关仪对输出时域信号进行测量，结果如图5(c)所示；

图5 DMD单线条调制结

将调制区域由线条状扩展为等间距的条纹，单个线条像素数目为1280×10，相邻横向线条间隔10个像素点，并布满整个微镜阵列像面。在相邻干涉级次范围内分布约有15条横向线条，相当于将自由光谱范围内的光谱成分平均分割，并选中光谱间隔约为4 GHz的光谱成分，相关结果如图6所示。

图6 DMD等间隔条纹调制结果

基于DMD较强的可编程性，对微镜阵列的调制区域进行了灵活控制。通过对傅里叶平面处的特定光频进行强度调制，观测到输出光谱及时域信号脉冲特征的相应变化，初步验证了系统对脉冲光场的调控效果。

结论

文中针对高重频皮秒脉冲光产生及调控的需要，提出了一种基于数字微镜器件的二维红外光场调控系统。利用虚像相位阵列及衍射光栅将输入激光脉冲的光谱二维空间展开，并使用放置于傅里叶平面处的数字微镜器件实现对脉冲频率成分的强度调制。根据二维光场分布的物理模型，对系统的色散效果进行了理论分析。对所提出系统的二维光谱映射效果进行验证，结果表明，傅里叶平面处光场呈线阵排列，且空间分布与脉冲光频之间映射对应。为验证系统脉冲调控的可行性，利用数字微镜器件选中空间展开下特定的频率成分，得到了数量超过52个、重复频率为60 GHz的脉冲序列，并可对其进行250 ps及500 ps的相对延时控制，调控信噪比可达46.02 dB。该二维光场调控系统兼具高光谱分辨率与超宽带范围，展现出较高的控制精度与调制速度，同时具备可编程性和良好的扩展性，为超短脉冲的产生与调控提供了一种有效可行的方案。