定义
可用于修改超短光脉冲的时间或光谱形状的器件。
在各种情况下，希望使用某种脉冲整形器修改光脉冲的形状。特别是，这发生在超短脉冲的背景下，本文专注于该域，脉冲持续时间在皮秒或飞秒区域。这种光脉冲通常由各种皮秒激光器或飞秒激光器产生。
脉冲整形通常涉及光功率与时间的关系，但它也可能涉及随时间变化的瞬时频率或光谱。根据应用的不同，可能需要不同种类的脉冲形状。例如，可以简单地获得平坦的光谱相位。更复杂的情况是生成瞬时频率的某个预定义的时间演变。在某些情况下，会形成相当复杂的脉冲形状——而不仅仅是像高斯这样的简单形状，塞赫2或抛物线的，但具有强大而复杂的光功率和相位调制的脉冲。
可以应用非常不同的脉冲整形物理原理，其中最重要的原理将在以下部分中解释。
脉冲整形的特殊情况是脉冲压缩和脉冲拉伸，其中脉冲持续时间的修改是主要关注的，通常不是详细的时间或光谱形状。
本文不涉及电脉冲的整形，例如在信号处理的上下文中经常应用。此外，本文不讨论锁模激光器内的脉冲整形效应，而只讨论脉冲产生后的脉冲整形。此外，它不处理非线性脉冲整形装置，如可饱和吸收器。
脉冲整形方法
直接时间整形
原则上，on可以直接使用某种光调制器操纵脉冲形状。然而，即使是最快的调制器，也最多足够快，可以对相对较长的皮秒脉冲进行非常粗糙的时间整形。因此，通常应用完全不同的方法，如以下各节所述。
色散脉冲整形
光脉冲的时间形状可以通过应用色散来修改。在简化的物理图像中，这意味着脉冲的不同波长分量的相对到达时间通过脉冲整形器中的波长依赖性群延迟来操纵。
在简单的情况下，应用具有固定光谱分布的色散。例如，啁啾镜、体积布拉格光栅或光纤布拉格光栅的色散分布可以针对特定的脉冲整形目的进行优化。
在其他情况下，需要可变（可调或可编程）脉冲整形。这可以通过不同的技术来实现。通常，人们采用某种傅里叶合成方法（也称为傅里叶变换脉冲整形），其中以某种方式操纵许多不同频谱分量的幅度和/或相位，从而获得所需的时间脉冲形状。这种方法通常不需要极快的调制器等，而是需要不同波长分量的空间或时间分离。
一种典型的技术是用衍射光栅在空间上分离波长分量，然后使它们在透镜的平行路径上传播，然后通过空间光调制器（例如向列液晶调制器）发送光，最后在空间上将波长分量与其他光学元件或用于完成空间分离的相同元件重新组合。图1显示了一种典型的光学设置。
图1：基于衍射光栅、透镜和空间光调制器的超快脉冲整形器的光学设置。不同的波长分量（仅显示三个）在设备中空间分离，但最终重新组合。
可以控制频谱幅度或相位，或两者兼而有之。
例如，空间光调制器的每个元件可以充当小光谱范围的相位调制器。使用其他调制器，还可以调整频谱幅度，或幅度和相位，有时还可以调整极化。通常使用仅相位调制器，尽管它们不能为脉冲整形提供完全的自由度，但这种方法在许多情况下就足够了，因为频谱相位是最重要的。
通常，空间光调制器将具有多个量级为 1000 的通道。这意味着可以独立控制大约 1000 个光谱特征。
请注意，透镜的色差会导致不同波长分量的不完美复合，从而导致复杂的时空效应。在这方面，带有曲面镜的设置是优越的，因为它们不表现出色散。
通常，这种超快脉冲整形器的光学对准非常关键。如果不同波长的分量在设备之后不能在空间中完美地重新组合，则可能会出现不必要的时空效应。实际上，人们可以在不同的位置获得不同的时间脉冲形状。
请注意，根据编程的调制模式，光调制器上的衍射会阻止将所有光完美地收集到单个输出光束中。然而，该技术可用于在光谱范围和分辨率基本上给出的限制范围内生成任意相位和幅度分布，如下所述。
需要什么光谱范围和分辨率？
获得的时间分辨率不受光谱分辨率的限制，而受覆盖光谱范围的宽度限制。另一方面，光谱分辨率决定了成形脉冲可以跨越的时间范围。例如，具有大时间分离的双脉冲具有快速调制的光谱。
对于飞秒脉冲，傅里叶变换脉冲整形器暂时比皮秒脉冲更容易实现，因为较短脉冲的带宽更大，因此更容易在空间上分离频谱分量。
请注意，可以使用一种相当慢的空间幅度调制器;事实上，使用液晶调制器是很常见的。它们有限的速度仅意味着无法快速修改脉冲整形的细节。最大模式更新速率约为 100 Hz。然而，如果可以接受并非每个脉冲都可以单独塑造，那么以非常高的脉冲重复率塑造脉冲序列是没有问题的。
使用可变形或移动镜进行脉冲整形
代替液晶调制器，可以使用可变形镜，例如在自适应光学中使用。当不同的波长分量撞击镜子上的不同位置时，如果可以独立控制这些点的仰角，则可以独立控制它们的光学相位。除了可变形的镜子，还可以使用一系列小型可移动镜子。通常，可独立控制的光谱特征的数量大大少于使用液晶调制器或声学光学设备可以实现的数量，如下所述。
一个特别简单的版本使用一个平面镜，它只是倾斜的，而不是可变形的镜子。倾斜仅产生线性光谱相位，从而导致时间偏移。因此，该设备实际上不是真正的脉冲整形器，而只是一个脉冲转换器。然而，与其他类型的光延迟块相比，调制频率可能要高得多。
声光脉冲整形
有不同种类的声光脉冲整形器。其中一个与上面解释的傅里叶变换脉冲整形器非常相似;本质上，人们使用声光调制器作为空间光调制器。当光脉冲通过调制器时，它必须包含具有空间形状的声学图案，该图案导致不同波长分量所需的衍射程度。为此，调制器通常由可编程RF函数发生器驱动，也称为任意波形发生器（AWG）。
与上述脉冲形状相比，声光调制器在以下方面有所不同：
- 插入损耗明显更高。
- 调制模式可以更快地更新 - 例如，更新速率为100 kHz（甚至更高），而不仅仅是100 Hz。另一方面，由于生成的声学模式随着声速在设备中移动，因此不可能将整形应用于具有高脉冲重复率的脉冲序列，因为它们是从典型的锁模激光器（例如100 MHz）获得的。对于每个光脉冲，都需要准备一个同步良好的声脉冲。设备的长度除以声速设置了反向更新速率的上限。因此，这种脉冲整形器适用于超快放大器系统，例如，使用脉冲拾取器可显著降低脉冲重复率，但不能直接用于锁模激光器。
- 处理非常宽带的脉冲更加困难。这主要是因为调制器的偏转角引入了大量额外的波长相关路径长度，即色散;虽然这在原则上可以补偿，但如果不引入高阶色散，就很难做到这一点。
另一种声光脉冲整形器可以通过更简单、更紧凑的光学设置来实现，它基于一种声光可调滤波器，这里称为声光可编程色散滤波器（AOPDF）。在该装置中，光脉冲与声波一起传播，声波再次由连接到调制器的压电传感器的计算机控制的函数发生器控制。与声波的相互作用导致能量转移到不同的偏振模式 - 例如，从普通偏振到特殊偏振。对于一个特定的声学频率，该相位匹配传输仅在有限的光学频率范围内起作用。通过适当的声波叠加，可以控制具有非凡偏振的整个光输出的振幅和相位。
脉冲整形器的应用
以下各节给出了一些超快脉冲整形器应用的示例。
放大器系统中的色散和非线性补偿
在基于啁啾脉冲放大（CPA）的超快放大器系统中，必须有一个脉冲压缩器，该脉冲压缩机可以非常精确地产生输出的平坦频谱相位，以便获得最大的峰值功率和最小的脉冲持续时间。由于设备公差不同，在需要大量脉冲拉伸的情况下很难实现，例如由于高脉冲能量。除了固定脉冲拉伸器之外，还可以方便地使用可编程脉冲整形器，通过它可以对频谱相位进行微调。然后，还可以补偿由增益介质的Kerr非线性引起的其他非线性相位变化。这样，人们也可以容忍更强的非线性效应。
光通信
光纤通信系统中也经常需要色散补偿。脉冲整形器可以提供灵活可调的色散补偿。这对于以非常高的数据速率使用时分复用的系统可能特别有趣。
此外，可以通过其光谱对超短光脉冲的信息进行编码 - 例如通过印制某个光谱相位，这也完全改变了它们的时间分布。原始脉冲的全部峰值功率只有在基本补偿最初施加的相位调制时，才会由第二个脉冲整形器检索。这可用于光码分多址 （O-CDMA） 系统的上下文。在这里，人们使用多个使用不同相位编码的光发射器，并且对于每个接收器，它应用相反的光谱相位变化，它只能检测来自相应发射器的信号[3]。
化学反应控制
众所周知，化学反应可以由用于激发原子或分子的光引发。这通常不会导致精确的控制;不同种类的化学反应可能同时引发。然而，在某些情况下，可以使用计算机控制的脉冲整形器的定制飞秒脉冲来仔细控制化学反应[2]。
可能需要相当复杂的脉冲形状，甚至可能无法立即知道;它们与分子的复杂量子动力学有关。有自适应脉冲整形的方案，其中使用计算机算法来优化脉冲形状，例如获得最大量的某种反应产物。
光学相干断层扫描
在一些光学相干断层扫描系统中，需要非常高的扫描速率。限制因素可以是光延迟块的速度。如上所述，使用脉冲整形器（包括倾斜镜）可以实现相当高的速度。但请注意，波长扫描激光器可以实现更高的扫描速度。
通过脉冲表征进行性能检查
可以应用各种脉冲表征方法来监测脉冲形状，例如在脉冲整形器之前和之后，以监测操作。特别是，除了光学交叉相关器之外，还有频率分辨光学门控（FROG）和光谱相位干涉测量（SPIDER）的方法。
参考文献
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