圖1 少周期飛秒激光遠(yuǎn)場相干合束系統(tǒng)光路

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊在少周期飛秒激光相干合束的束間載波包絡(luò)相位(CEP)以及時間抖動測控研究中取得新進(jìn)展，提出一種基于光譜干涉的測控技術(shù)，相關(guān)成果以“Simultaneous realization of time and carrier-envelope phase synchronization for an ultra-intense few-cycle laser pulse coherent combining system”為題，發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

大能量的少周期飛秒激光在強(qiáng)場物理研究中有著重要的應(yīng)用價值，相干合束技術(shù)是提升該類激光能量直接且高效的方案之一。少周期飛秒脈沖具有獨(dú)特的時域特性，使其相干合束的效率和穩(wěn)定性極易受到束間CEP差異以及時間同步抖動的干擾，因此對這兩個因素的測量和控制是進(jìn)行穩(wěn)定高效相干合束的關(guān)鍵。

圖2 基于光譜干涉的二次函數(shù)對稱軸相位擬合的時間同步測量

圖3(a)閉環(huán)反饋控制后，束間時間抖動得到大幅抑制;(b)閉環(huán)反饋控制前后的時間抖動頻率譜。

圖4(a)遠(yuǎn)場干涉條紋隨束間CEP調(diào)節(jié)的變化情況;(b)合束效率隨束間CEP調(diào)節(jié)的變化情況。(c)-(e)合束效率分別為98%、92%、85.6%時的遠(yuǎn)場干涉條紋

為了實(shí)現(xiàn)束間CEP差及時間抖動的同時測量，研究團(tuán)隊提出基于光譜干涉的二次函數(shù)對稱軸相位擬合法，對兩束少周期飛秒激光的束間時間抖動進(jìn)行快速標(biāo)定，并同時獲得CEP相位差，實(shí)現(xiàn)兩者的同時測量。經(jīng)過理論分析，該測量方法的時間分辨率可達(dá)數(shù)十阿秒量級，CEP相位測量精度可達(dá)數(shù)十毫弧度。基于該方法，研究團(tuán)隊運(yùn)用鈦寶石鎖模飛秒激光器搭建了一套少周期飛秒激光相干合束系統(tǒng)，對兩路激光脈沖的束間CEP差和時間同步抖動進(jìn)行了閉環(huán)反饋控制，并通過平鋪孔徑的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兩路少周期飛秒激光的遠(yuǎn)場相干合束。在開啟閉環(huán)控制后，激光脈沖束間時間抖動標(biāo)準(zhǔn)差控制在42as，同時通過將束間CEP差調(diào)節(jié)為0 mrad，遠(yuǎn)場相干合束效率達(dá)到98.5%。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊還展示了遠(yuǎn)場合束后干涉條紋以及合束效率隨束間CEP差在π范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)時的變化情況，驗(yàn)證了該相干合束系統(tǒng)的時間同步及束間CEP差的測控能力。下一步，研究團(tuán)隊將拓展少周期飛秒激光束數(shù)量，將該測量技術(shù)同時應(yīng)用于更多路的少周期飛秒脈沖束間CEP及時間同步測量，為獲得大能量的少周期飛秒激光提供技術(shù)支持。

相關(guān)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng)新合作項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院A類先導(dǎo)專項等項目支持。

審核編輯 黃宇