【仪器使用技巧】DAZZLER，全世界的超快激光系统都在用！
摘要：
超快激光，特别是飞秒激光由于其在时域和频域的优良特性近年来在生物、化学、物理学等研究领域应用越来越广泛，极短的脉冲宽度和丰富的频谱成分使它备受科研工作者的青睐。然而“宝剑虽锋，善舞不易”，一台飞秒激光器往往只有固定的脉冲宽度和光谱形状，难以完全匹配实验中所需要的所有条件，使得昂贵的飞秒激光难以施展拳脚。如果有这样一种仪器，能够灵活改变飞秒脉冲的脉宽和光谱形状，甚至把单个飞秒脉冲变成自定义的脉冲串，那么实用意义可以说是“非同凡响”了。
下面就让我们了解一下这款能够让飞秒激光物尽其用的利器——DAZZLER。
1. DAZZLER的起源和市场现状
DAZZLER本义为“炫光、闪光”，它实际上是声光可编程色散滤波器（AOPDF, Acousto-opto ProgrammableDispersive Filter）商用产品的品牌名称，目前大家也更习惯称呼它为DAZZLER。AOPDF的概念由Pierre Tournois在1997年提出，随后他和几个合伙人一同创立了FASTLITE公司，并于2000年生产出第一台DAZZLER商用产品。
Pierre Tournois这个名字可能并没有你想象的那么陌生，早在1964年Dr. Tournois就和F. Gires发明了大名鼎鼎的GTI镜（Gires-TournoisInterferometer），GTI镜目前已经成为各类超快激光器中最常见的用以补偿色散的器件。不然你以为“GTI”的“T”是哪里来的？！
回到DAZZLER这款仪器来，它的名气可能没有GTI镜那么大（毕竟年轻三十岁。。），但功能绝对是高大上，这款产品几乎应用在欧洲所有主流的超快激光系统中, 同时成为Amplitude Technologies、Thales、FemtoLasers等知名激光公司产品中的标配，其小巧的体积和强大的功能为其赢得了用户的广泛好评。
图一 DAZZLER的实物图
2. DAZZLER的功能
2.1 超快放大器峰值功率的提升（关于CPA技术详见公众号往期文章《超快放大技术知多少？》）
以钛宝石飞秒放大器为例，为了获得尽量窄的飞秒脉冲和高峰值功率输出，在放大过程中需要注意两个问题，一个是色散补偿要精确，飞秒种子脉冲在展宽和放大后如果压缩时色散补偿不好，会导致脉冲变宽；另一个是CPA放大过程中会存在增益窄化效应，即放大过程中如果不采取相应措施，远离中心波长的光谱成分将无法得到有效放大，造成脉冲的光谱变窄。压缩效果差和光谱变窄都会导致脉冲的输出脉宽不理想，造成激光输出峰值功率不足。而DAZZLER正是为解决这两个棘手问题而生。首先DAZZLER能够定量补偿各阶色散（最高至四阶），请注意，这意味着它能够在不改变其它阶色散的情况下自定义某一阶色散的大小，目前还没有任何一种结构或者材料能够实现这一功能。而它通过灵活控制各阶色散这种方式，能够将脉冲的光谱相位补偿的非常平滑，即你能够将飞秒脉冲压缩至接近傅里叶转化极限脉宽，可以说“最短也就只有这么短了”。
第二个问题DAZZLER同样可以得心应手，为了解决放大过程中的光谱变窄问题，它可以对脉冲的光谱形状进行预处理，比如将类高斯形状的光谱调制为马鞍型（中间低两边高），以抵消因增益曲线的边际效应造成的光谱窄化。此外，DAZZLER还有针对OPCPA放大器优化的版本，主要功能体现在提高高阶相位的补偿精度，同时在放大过程中精确控制脉冲的宽度，同时由于OPCPA放大器对延时的精确要求，DAZZLER也具备超低时间抖动的设计。为了满足一部分科研用户对于CEP锁定功能的需求，DAZZLER还可外设锁定电路，对CEP信号进行精确闭环控制。
2.2 多维光谱学应用
当然DAZZLER的应用并不局限于超快激光放大领域，在一些利用超快激光作为泵浦探测工具的实验中DAZZLER的另一功能就发挥作用了。DAZZLER能够将单一的入射脉冲分隔为延时可调的脉冲对，
脉冲对包含的两个脉冲是相位锁定的，同时你可以快速连续的对脉冲对间的延时进行调谐。这个功能适用的光谱范围非常广，从UV到MIR都可以工作。
3. DAZZLER的原理
DAZZLER强大功能的背后伴随着的是其巧妙的原理设计，下面我们就简单了解一下，超快脉冲在DAZZLER的内部到底经历了什么。首先我们可以将DAZZLER的工作过程概括为声波和光波的相互作用，
声波和光波的相互作用机理[2]可以用下面的公式（1）（2）（3）表示。在时间域上，输出的光波的电场是输入光场和声波长的卷积，在频率域上，输出光场是输入光场和声波场的乘积，并且入射光场、出射光场和声波长满足相位匹配（能量守恒、动量守恒）。声光相互作用的理论背景可以参考Pierre Tournois在Optics Communications 上的文章[3]。
然后我们可以从超快（宽谱）激光的角度来理解AOPDF对入射激光的相位和幅度调制过程，入射激光各个频率成分只有和其相位匹配的声波才能发生最大效率相互作用。根据公式（3）可知，可以通过调制声波场的相位和幅度来调制出射光场的光谱相位和幅度，这就代表了DAZZLER最基本的两个功能：光谱相位优化（色散补偿）和光谱形状调制（抑制增益窄化）。
图二 AOPDF压缩脉冲宽度的示意图
如图二所示，具有正啁啾的宽带脉冲经过预先设置好的声波场，长波（低频）的成分首先被衍射，经历的光程比较长，短波（高频）的成分随后被衍射，经历的光程比较短，因此声波场的作用相当于产生一个负啁啾，从而起到压缩脉冲的作用。从实际超快激光系统的角度出发，很容易就可以联想到，如果通过测量装置得到整个激光系统的剩余色散（光谱相位畸变），然后将此色散的负值反馈到DAZZLER上可以将系统的色散调制成零，得到傅里叶转换极限的脉冲。
同样的道理，也可以将系统的光谱窄化信息测量出来然后反馈到AOPDF上，得到最宽的光谱。此外，通过施加两个或者多个相位固定和时间延时固定的声波场，可以得到相位锁定、延时固定的多个脉冲，这就是为光谱学研究提供了理想的工具。
4. DAZZLER的安装和调试技巧
（1）DAZZLER初次安装
认真阅读说明书所标称的通光口径，调节DAZZLR的位置，一般光斑应从通光口靠近底部1/3位置处通过，否则衍射光斑可能会有切光的现象出现（见图三）。
图三 DAZZLER通光口径示意图
对于P偏振的入射光，DAZZLER应竖直放置。DAZZLER会改变入射光偏振态90°，故出射光变为S偏振。反之，对于S偏振的入射光，DAZZLER应水平放置。DAZZLER会改变入射光偏振态90°，故出射光变为S偏振。
按照激光系统的要求连接DAZZLER控制器触发信号。以1 kHz再生放大器为例；信号源输出的1 kHz信号，触发电平有一定要求，TTL信号要求3V以上电压。如果使用的是旧版DAZZLER需要50欧姆阻抗匹配接头,软件才能正确识别重复频率（新版不需要）。正常情况下L1灯应该呈绿色闪烁状态。
图四 DAZZLER电源控制器示意图
（2）同步信号设置
同步设置的目的是保证入射激光和声波光场的有效相互作用，也就是说光脉冲达到的时候声波已经处于等待的状态。打开DAZZLER软件，首先点击setup，进行Trigger and mode setting，这里要求外接的触发信号与再生放大光导出时间之间的延时在1us 以内。软件运算到实际控制需要一定提前量，约21us，可以在设置里微调。
图四 DAZZLER同步信号设置
（3）波长校正
由于相位匹配的影响和双折射性质的存在，不同的声光晶体角度对应不同的输出光谱的中心波长（可参照非线性光参量放大过程来理解）。出厂时厂家已经做了相应的声光场和输出光谱之间的校准，在安装的时候就是要回复这个校准。
首先在DAZZLER的软件中设置hole position，比如在800nm处。然后调节入射光进入DAZZLER的角度，会发现光谱会发生明显的移动，仔细调节将光谱凹陷中心调到设置值800nm处即可固定。
图五 DAZZLER软件操作界面
5. 注意事项
输出脉冲偏振和输入偏振垂直，因此在设置光路的时候要注意选择合适的偏振元件。
严格按照厂家的要求确定输入激光的能量和光斑尺寸。
认真阅读厂家的说明书，防止DAZZLER操作不当损伤激光系统，尤其是防止产生光谱切割的情况出现。
6. 参考文献
[1] F. Gires and P. Tournois, “Interferometreutilisable pour la compression d'impulsions lumineuses modulees en frequence”,C. R. Acad. Sci. Paris 258, 6112 (1964)
[2] Pierre Tournois, “Acousto-optic programmable dispersive filter for adaptive compensation of group delay time dispersion inlaser systems”, Optics Communications,Volume 140, Issues 4–6, 1997,Pages [3] F. Verluise, V. Laude, Z. Cheng, Ch.Spielmann, and P. Tournois, "Amplitude and phase control of ultrashortpulses by use of an acousto-optic programmable dispersive filter: pulsecompression and shaping," Opt. Lett. 25, 575-577 (2000)
