圖1 少周期飛秒激光遠(yuǎn)場(chǎng)相干合束系統(tǒng)光路

近日，中國(guó)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(duì)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(shí)間抖動(dòng)測(cè)控研究中取得新進(jìn)展，提出一種基于光譜干涉的測(cè)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(chǎng)物理研究中有著重要的應(yīng)用價(jià)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(shí)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(shí)間同步抖動(dòng)的干擾，因此對(duì)這兩個(gè)因素的測(cè)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(duì)稱軸相位擬合的時(shí)間同步測(cè)量

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

圖4(a)遠(yuǎn)場(chǎng)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)干涉條紋

為了實(shí)現(xiàn)束間CEP差及時(shí)間抖動(dòng)的同時(shí)測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)提出基于光譜干涉的二次函數(shù)對(duì)稱軸相位擬合法，對(duì)兩束少周期飛秒激光的束間時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行快速標(biāo)定，并同時(shí)獲得CEP相位差，實(shí)現(xiàn)兩者的同時(shí)測(cè)量。經(jīng)過(guò)理論分析，該測(cè)量方法的時(shí)間分辨率可達(dá)數(shù)十阿秒量級(jí)，CEP相位測(cè)量精度可達(dá)數(shù)十毫弧度。基于該方法，研究團(tuán)隊(duì)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(duì)兩路激光脈沖的束間CEP差和時(shí)間同步抖動(dòng)進(jìn)行了閉環(huán)反饋控制，并通過(guò)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(chǎng)相干合束。在開(kāi)啟閉環(huán)控制后，激光脈沖束間時(shí)間抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差控制在42as，同時(shí)通過(guò)將束間CEP差調(diào)節(jié)為0 mrad，遠(yuǎn)場(chǎng)相干合束效率達(dá)到98.5%。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)還展示了遠(yuǎn)場(chǎng)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(shí)的變化情況，驗(yàn)證了該相干合束系統(tǒng)的時(shí)間同步及束間CEP差的測(cè)控能力。下一步，研究團(tuán)隊(duì)將拓展少周期飛秒激光束數(shù)量，將該測(cè)量技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于更多路的少周期飛秒脈沖束間CEP及時(shí)間同步測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。

審核編輯 黃宇