测量光束中每个点的特性

激光在现代社会中有着很多重要的应用，比如探测远处的行星、修复患者的眼睛。然而，如果想利用光束产生更多的价值，首先就必须要能够精确地测量光束的性质。

一般而言，对激光束特性的表征通常需要非常复杂的装置来实现。近日，罗切斯特大学的一个研究小组设计了一种更简单的测量光束的方法，甚至可以应用于功能强大的超快脉冲激光束。郭春雷教授和博士生Billy Lam设计的新型设备比传统干涉仪具有更可靠和更强大的表征激光束特性的能力，被誉为是一个“革命性的进步”，实验装置如图1所示。（图片来自罗彻斯特大学的J. Adam Fenster）

郭教授表示，新型设备将有助于科学家更好地微调光脉冲，甚至是超快的脉冲激光；它将替代传统仪器测量光束质量，以便其在金属表面等各种领域的应用。

郭教授说：“这是一个革命性的进步。在过去，我们不得不使用非常复杂、笨重的干涉仪来表征光束，但现在我们只需要一个光学立方体即可，它具有超紧凑、可靠、功能强大的特点。”《Light: Science and Applications》期刊对他们设计的仪器进行了报道。如图2所示，左边是传统干涉仪的基本设计，右边是郭教授实验室设计更紧凑的干涉仪；这是一个被称为“楔形反向剪切干涉仪”（wedged reversal shearing interferometer），由两个直角棱镜组装而成一个简单的棱镜立方体；立方体有两个成一定角度的光束入口，可将光束分成两部分；当光束离开立方体时，来自光束左侧部分的反射光和光束右侧部分的透射光从立方体的一个面发射；相反，来自光束左侧部分的透射光和来自右侧部分的反射光从立方体的另一面发射。（图片来源：罗切斯特大学 Michael Osadciw）

郭教授团队创造的这种极其稳定的“干涉图案”，可用于测量光束的所有关键空间特征：幅度、相位、偏振、波长，以及在脉冲光束的情况下，脉冲的持续时间。它不仅仅检测了整个光束的平均值，而且进一步表征了光束中每个点的特性；郭教授认为这对成像应用尤其重要。“如果光束不是完美的，并且在图像上存在缺陷，那么重要的是知道缺陷是源于光束本身，而不是因为正在成像的物体所产生的变化。”

“理想情况下，你应该用一个完美的光束来成像。如果你原来不了解，那么通过这篇文章你可以更好地理解测量光束质量的重要性和技巧，然后你可以获得更好的测量结果。超快激光是记录动态过程的关键，用非常简单但强大的仪器来表征超快或任何类型的激光束都是非常重要的。”

Albert Michaelson在1880年代演示了第一个基于分束器和两个反射镜的干涉仪，这也正是今天常用的迈克尔逊干涉仪。分束器将分裂的两束光发送到不同的光学路径，然后通过反射镜将每个路径上的光束反射，使它们在分束器上重新汇合。两个分裂光束的不同传播路径将引起相位差，从而产生干涉条纹图案，然后通过检测器分析这种干涉条纹图案，用来评估光波或光束的特性。郭教授指出，这种方法能够更好的表征连续波激光束，因为它们具有很长的“相干”时间，即使在分裂之后，它们也可以沿不同长度的两条路径进行传播，然后重新组合发生干涉。

然而，飞秒脉冲激光束的持续时间极短，大约为百万分之一，传统干涉仪往往不再适用。郭教授说简单的干涉仪就像剪切板，前表面和后表面反射的光束相互干涉不再有效，飞秒脉冲激光束沿着常规干涉仪的非等距路径，将会很快失去其相干性。棱镜立方体的设计就是为了消除这个问题。棱镜立方体是第一个单元件干涉仪（single element interferometer），可以表征飞秒甚至更短的激光脉冲。

飞秒激光脉冲的持续时间非常短，相当于自然界很多基本过程发生的时间，如围绕原子核运动的电子、原子和分子的“晶格”振动，以及生物蛋白的伸展。因此，飞秒激光脉冲是研究者研究和操作这些过程的工具。  

飞秒激光脉冲的功率也非常强大。郭教授说：“我实验室中飞秒激光脉冲的峰值功率相当于整个北美电网的电能。”这使得他的实验室能够使用激光脉冲来蚀刻出具有新颖特性的金属表面，因此它们成为超疏水或超亲水的材料。

因此，该干涉仪可用于光束表征、光学成像以及测试，包括天文学、生物医学、眼科学、光学测试和成像系统以及自适应光学等领域的应用。

文章链接：   

Billy Lam and Chunlei Guo，Complete characterization of ultrashort optical pulses with a phase-shifting，Nature Light: Science & Applications (2018) 7:30，DOI 10.1038/s41377-018-0022-0.