上海光机所在少周期飞秒激光脉冲相干合束技术研究方面取得进展

图1 少周期飞秒激光远场相干合束系统光路

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室研究团队在少周期飞秒激光相干合束的束间载波包络相位(CEP)以及时间抖动测控研究中取得新进展，提出一种基于光谱干涉的测控技术，相关成果以“Simultaneous realization of time and carrier-envelope phase synchronization for an ultra-intense few-cycle laser pulse coherent combining system”为题，发表于High Power Laser Science and Engineering。

大能量的少周期飞秒激光在强场物理研究中有着重要的应用价值，相干合束技术是提升该类激光能量直接且高效的方案之一。少周期飞秒脉冲具有独特的时域特性，使其相干合束的效率和稳定性极易受到束间CEP差异以及时间同步抖动的干扰，因此对这两个因素的测量和控制是进行稳定高效相干合束的关键。

图2 基于光谱干涉的二次函数对称轴相位拟合的时间同步测量

图3(a)闭环反馈控制后，束间时间抖动得到大幅抑制;(b)闭环反馈控制前后的时间抖动频率谱。

图4(a)远场干涉条纹随束间CEP调节的变化情况;(b)合束效率随束间CEP调节的变化情况。(c)-(e)合束效率分别为98%、92%、85.6%时的远场干涉条纹

为了实现束间CEP差及时间抖动的同时测量，研究团队提出基于光谱干涉的二次函数对称轴相位拟合法，对两束少周期飞秒激光的束间时间抖动进行快速标定，并同时获得CEP相位差，实现两者的同时测量。经过理论分析，该测量方法的时间分辨率可达数十阿秒量级，CEP相位测量精度可达数十毫弧度。基于该方法，研究团队运用钛宝石锁模飞秒激光器搭建了一套少周期飞秒激光相干合束系统，对两路激光脉冲的束间CEP差和时间同步抖动进行了闭环反馈控制，并通过平铺孔径的结构，实现了两路少周期飞秒激光的远场相干合束。在开启闭环控制后，激光脉冲束间时间抖动标准差控制在42as，同时通过将束间CEP差调节为0 mrad，远场相干合束效率达到98.5%。实验中，研究团队还展示了远场合束后干涉条纹以及合束效率随束间CEP差在π范围内连续调节时的变化情况，验证了该相干合束系统的时间同步及束间CEP差的测控能力。下一步，研究团队将拓展少周期飞秒激光束数量，将该测量技术同时应用于更多路的少周期飞秒脉冲束间CEP及时间同步测量，为获得大能量的少周期飞秒激光提供技术支持。

相关工作得到国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目、国家自然科学基金、中国科学院A类先导专项等项目支持。

审核编辑 黄宇