圖1.超短脈沖時空同步實驗的光路圖

近日，中科院上海光機所高功率激光物理聯合實驗室在多路超短脈沖時間同步與空間疊合度測量方面取得研究進展，相關研究成果以“High-precision spatiotemporal three-dimensional ultrashort pulse synchronization with optical Kerr effect”為題發表于Optics Express。

在等離子體物理、慣性約束核聚變和實驗室天體物理學等研究領域，在研究多個超短脈沖與物質的相互作用時，對多個超短脈沖之間的高精度時間同步和空間疊合測試有很高的要求。然而目前的超短脈沖同步測試方案很難兼顧多路超短脈沖的高精度、大角度的時間同步和空間重合度測量。

在這項工作中，研究人員通過觀察光克爾效應的瞬態現象，實現了超短脈沖在不同角度下高精度三維(x, y, t)同步。光克爾信號脈沖的強度和相位的變化與時空重合程度成正相關。待測激光的相位無法通過探測器直接進行記錄，需要利用單次相位成像算法進行重建，其中相干調制成像借助于編碼板的調制作用，具有較高的收斂性能。相位重建算法利用編碼板相位調制信息和CCD記錄的衍射光斑作為主要約束條件，通過迭代計算，獲得逐漸逼近真實分布的光克爾信號光波前振幅和相位信息。實驗中使用了10ps的脈沖，通過觀察信號脈沖的強度和相位分布，得出通過觀察相位能夠得到更高的時間同步精度，最終實現了兩個脈沖之間小于1ps的的時間同步精度，分別在x和y方向上實現了±125μm和±3μm的空間疊合精度，該精度分別取決于同步調整用的位移臺的步長精度和CCD像素尺寸，其中通過使用移動步長更小的位移臺可以提升x方向的精度。此外，實驗測量了兩個脈沖夾角為90°時兩者間的同步，進一步證明了該方法可以實現大角度超短脈沖之間的時空同步。通過實驗分析了泵浦能量和信號光能量波動帶來的影響，結果表明相位測量相對強度測量而言穩定性會更高，有利于多束脈沖的同步測量。該研究為多路激光時空疊合測量提供了一種測試方法。

圖2.(a1-a2)泵浦光與信號光夾角θ=30°時，不同延遲下的強度曲線;(b1-b2)θ=30°時，不同延遲下的相位變化曲線;(c1-c2)θ=50°時，不同延遲下的強度曲線;(d1-d2)θ=50°時，不同延遲下的相位變化曲線。

審核編輯 黃宇