[发明专利]基于多重4F成像的高带宽复合声光调制方法

说明书

本发明属于激光调控技术领域，具体为一种基于4F精密成像的高带宽复合声光调制方法。本发明方法包括：利用4F透镜对N个相同频率驱动的声光调制器成像，从而将单声光调制过程分裂为N个相干过程，借助N声场强度和相位优化，获得单声光调制无法实现的高复合衍射效率，并对入射光角度、入射光波长、驱动声波频率容错。本发明中的复合衍射优化能力随N逐步提高。取N在5以内，即可对大幅度偏离布拉格条件下的入射光实现近100%效率的衍射调控。本发明可实现传统声光调制方法无法获得的高带宽多色声光调制、大范围扫频/大角度光束衍射等能力，在运用连续激光和超快激光对原子分子实现量子调控等科研和技术领域有重要应用前景。

技术领域

本发明属于激光调控技术领域，具体涉及一种基于多次4F成像的高带宽复合声光调制方法和系统。

背景技术

在激光调控技术领域，基于相位匹配布拉格衍射的声光调制技术(AOM)利用射频信号实现对光场的强度，相位，频率和方向的控制，其调制速度远高于机械类调节，而调制精度和普适性又远优于电光类调制。在对连续光和脉冲激光的调控方面，在基础研究和技术领域，声光调制都有普遍和重要的应用。AOM的重要指标包括声光衍射效率R，工作频率范围Δf_S，适用波长范围Δλ，及调制带宽δf_M。众所周知，AOM的高声光衍射效率R难以和大工作带宽Δf_S，大波长范围Δλ兼容：为获得最佳声光衍射效率，被调制激光的最优入射角θ需要接近由声波频率f_S，声波波矢k_S＝2πf_S/v_S，入射光波长λ共同决定的布拉格角θ_B，而工作频率f_s、入射激光波长λ的大幅度改变必然导致衍射效率的急剧下降，限制了声光调制技术在大范围移频和多色、超短脉冲调控中的应用潜力。举例来说，在著名的超短脉冲光载波-包络面-相对相位(CEP)锁定应用中(koke2010)，AOM频率变化范围极大的限制了CEP锁定的稳定性，而超短脉冲在AOM衍射中的色散导致出射光的“时空耦合”，降低了输出模式的有效功率。另一方面，AOM的声光调制带宽δf_M–即对衍射光的频率，相位，强度，方向实时调节的控制带宽–取决于入射光斑大小w及晶体声波速度v_S，可表达为δf_M＝v_S/w。由于常规声光晶体的声速v_S为数千米每秒，为获得数十MHz的调制带宽，通常做法是对入射光斑束腰w聚焦到百微米以下。而聚焦光对应的入射角θ展宽会进一步导致布拉格条件的破坏，影响衍射效率R。

经调查研究，目前在声光调制技术领域尚没有系统解决方案来克服高声光衍射效率和大工作频率范围Δf_S，大工作波长范围Δλ,高调制带宽δf_M指标之间的矛盾。在一般处理方法上，一是直接通过牺牲衍射效率R来换取宽带工作性能，二是结合声光调制理论，通过提高工作中心频率f_S和减小声光相互作用距离L来降低布拉格条件的严格性，进而实现宽带工作。然而上述两种方法至少存在如下缺点：

1、声光调制技术基础是布拉格共振。常规声光调制技术中，偏离布拉格条件后光衍射效率R下降很快，通过牺牲R换取高带宽多波长工作的代价常常是以大幅度降低输出功率来换取有限的工作带宽和波长范围增益。

2、通过增大f_S的同时降低相互作用距离L，确实可以获得和f_S同比例增长的频率范围Δf_S，波长范围Δλ，及调制带宽δf_M。然而随着晶体尺度减小，AOM声波场设计愈发困难，声光衍射在高频很难维持高效。目前市场上的AOM技术在频率f_S＞250MHz以上单器件衍射效率R迅速下降，而GHz级调制频率的衍射效率R很难超过50％。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于多重4F成像实现高带宽复合声光调制的方法，运用多参数控制的声光干涉突破单个声光调制器件中布拉格条件对衍射效率、工作频率范围，调制带宽的限制，实现超高带宽任意声光调制，可用于各类非线性光学、量子光学实验中。