上海光机所在皮秒激光器精密光同步研究方面取得新进展

图1 皮秒激光器同步示意图

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在皮秒激光器精密光同步研究方面取得新进展。研究团队基于自主建设的时间同步系统实现了皮秒激光器阿秒级同步。相关成果以“Long-term stable timing fluctuation correction for a picosecond laser with attosecond-level accuracy”为题发表于High Power Laser Science and Engineering。

阿秒科学是超快光学和激光科学的重要分支，其核心目标是探测和操控电子运动等超快现象，为理解物质世界的基本规律提供全新视角。例如，在化学反应中，分子键的断裂和重组是由电子的超快运动决定的，而阿秒级时间尺度为直接观测和操控这些过程提供了可能。阿秒(10-18秒)是目前人类在时间尺度上所能精确操控的最短单位，而实现这种超高精度的时间控制离不开激光时间同步技术的支撑。由于皮秒(10^-12秒)激光脉冲是许多阿秒科学实验的重要基础光源，因此如何将皮秒级激光器的时间抖动校正到阿秒级别，是保证阿秒科学发挥作用的基础。

研究团队进一步发展了激光同步技术，对皮秒激光器进行高精度时间抖动测量和实时反馈，将系统的时间抖动控制在阿秒级范围内，提升了激光系统在长时间运行中的可靠性。实验装置如图1所示，研究团队利用多通腔(MPC)脉冲压缩技术、平衡光学互相关(BOC)技术、近场干涉技术进行时间抖动的测量，并开发了分析与控制系统对时间抖动进行实时校正。由于Yb:YAG晶体的增益带宽限制，利用该晶体的固体激光器输出脉冲宽度通常为几百飞秒甚至皮秒级别，利用MPC将0.8 ps压缩至95 fs，使得BOC的测量精度从14.57 mv/fs提升至52.5 mv/fs，该测量精度下，BOC将时间抖动预先校正至1.12 fs，结果如图2所示。在此基础上，使用基于干涉测量的反馈回路对相位波动进行补偿，使其达到 189 as () RMS，结果如图3所示。相关研究为阿秒级时间尺度上的基础科学研究提供了可能，对于阿秒分辨率成像、超快动力学探测和泵浦-探测实验的发展具有重要的科学价值。

该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年基础研究项目、以及中国科学院上海分院-上海市基础研究先导计划的支持。

图2 (a) 非共线 BOC 示意图, (b)脉宽为0.8 ps和95 fs 时互相关曲线。(c) 反馈关闭(灰线)和开启(黑线，红线)时的时序漂移

图3 (a)有相位漂移(红线)和无相位漂移(黑线)干涉条纹强度分布示意图(插图为干涉图案)，(b) BOC (灰线)和BOC与干涉同时开启(红线)时间抖动校正结果

审核编辑 黄宇