同步时间透镜光源同步时间抖动的起源及控制研究

Synchronized time-lens source is a novel synchronized pulsed laser source. It has the superb capability of being synchronizable to any mode-locked lasers, and has found wide applications in imaging biological and chemical samples. Relative timing jitter between the synchronized sources is the key physical parameter for estimating the synchronization performance. So far, there has been only measured relative timing jitter for the synchronized time-lens source, while there is a lack of necessary theoretical investigation of the origins of and their quantitative contribution to the relative timing jitter. As a result, there is a lack of effective means to control and minimize the timing jitter. This proposal aims to perform the following theoretical investigation on the relative timing jitter for the synchronized time-lens source: 1) Based on the current theoretical model describing the time-lens source, we will develop and establish a proper physical model for synchronized time-lens source. This model is not only the basis for investigating relative timing jitter, but also suitable for theoretical optimization of other system parameters and performance. 2) We will investigate and ascertain the physical origins of the relative timing jitter, and the quantitative contribution from each origin. 3) Regarding these various origins contributing to the relative timing jitter, we will investigate and establish optimization strategies for minimizing relative timing jitter. Upon completion of this proposed project, from a theoretical point of view, we will be able to fully understand both qualitatively and quantitatively the origins of relative timing jitter in a synchronized time-lens source, and put forward corresponding feasible solutions to reducing it. Our results are expected to offer guidelines for optimization of the synchronized time-lens source, expanding its area of applicability and boosting its performance in real applications.

同步时间透镜光源是一种新型同步脉冲光源，可同步至锁模激光器，并已成功用于生物、化学样品的光学成像。同步时间抖动是衡量同步性能的标准，目前针对同步时间透镜光源，仅有抖动的实验测量结果，对其物理起源及影响程度缺乏必要的理论研究，因此缺乏对其控制的理论依据及手段。本项目针对同步时间抖动问题开展以下理论研究：1）从现有时间透镜光源的理论模型出发，建立同步时间透镜光源的理论模型，不仅作为抖动研究的物理基础，还可以作为其他系统参数及性能优化的物理基础；2）研究导致同步时间抖动的物理因素，以及它们各自的定量影响程度；3）针对这些物理因素，研究并提出优化策略以减小同步时间抖动。通过本项目的研究，可以从“质”和“量”两方面明确同步时间透镜光源中同步时间抖动的起源，形成针对性的降低抖动的理论方案。研究成果对同步时间透镜光源的优化设计提供理论指导，实现其应用领域拓展及应用性能提升。

同步时间透镜光源作为一种新颖的脉冲同步方案，在成像领域及其他领域存在极为广阔的应用前景，有望用于包括皮秒以及飞秒在内的多种需要双色同步脉冲的场合。针对该光源目前存在的同步抖动以及其他可优化参数，本申请项目建立起了完整的理论模型用于描述包括锁模激光器、同步时间透镜各个光电环节在内的完整理论模型，构建完成了对其进行理论研究的物理基础。在此基础上开展的同步时间抖动物理起源的研究、相应控制方案的提出将为同步时间透镜光源的性能提升及优化，应用领域拓展，特别是由皮秒应用向飞秒应用拓展创造可行性。. 所取得的主要成果为：（1）明确了可能显著导致同步时间抖动的物理量。包括：锁模激光器本征随机时间抖动、锁模激光器重复频率单向漂移、窄带射频滤波器带宽、光电探测器的自身噪声。（2）针对这些物理因素，提出了减小同步时间抖动的控制策略，包括：尽可能减小锁模激光器输出的随机时间抖动以及重复频率单向漂移、匹配锁模激光器和同步时间透镜光源之间的光学延迟、根据抖动起源恰当的选择窄带滤波器带宽、增大入射到光电探测器的激光功率、选取高量子效率的光电探测器等。（3）明确了锁模激光器输出脉冲抖动会通过光电转换及调制过程，导致同步时间透镜光源输出脉冲产生脉冲间峰值功率起伏。提出可以通过减小窄带滤波器带宽的方法抑制峰值功率起伏，但其代价是会导致同步时间抖动增加。（4）提出一种新的减小同步时间透镜光源输出脉宽的方法：仅通过改变相位调制器用射频滤波器带宽即可显著的改变同步时间透镜光源脉宽，起到进一步压缩脉宽的目的。采用该技术甚至可以将输出压缩至百飞秒量级，有望将同步时间透镜光源应用领域拓展到飞秒脉冲领域。. 为了便于推广我们的技术，我们发表供稿综述（contributed review）论文一篇，详细的介绍同步时间透镜光源的原理、系统、应用以及可能的发展方向。任何感兴趣的实验室都可以通过该综述文章建造起类似系统。