圖1 少周期飛秒激光遠場相干合束系統光路

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

大能量的少周期飛秒激光在強場物理研究中有著重要的應用價值，相干合束技術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特的時域特性，使其相干合束的效率和穩定性極易受到束間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行穩定高效相干合束的關鍵。

圖2 基于光譜干涉的二次函數對稱軸相位擬合的時間同步測量

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

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

為了實現束間CEP差及時間抖動的同時測量，研究團隊提出基于光譜干涉的二次函數對稱軸相位擬合法，對兩束少周期飛秒激光的束間時間抖動進行快速標定，并同時獲得CEP相位差，實現兩者的同時測量。經過理論分析，該測量方法的時間分辨率可達數十阿秒量級，CEP相位測量精度可達數十毫弧度。基于該方法，研究團隊運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，對兩路激光脈沖的束間CEP差和時間同步抖動進行了閉環反饋控制，并通過平鋪孔徑的結構，實現了兩路少周期飛秒激光的遠場相干合束。在開啟閉環控制后，激光脈沖束間時間抖動標準差控制在42as，同時通過將束間CEP差調節為0 mrad，遠場相干合束效率達到98.5%。實驗中，研究團隊還展示了遠場合束后干涉條紋以及合束效率隨束間CEP差在π范圍內連續調節時的變化情況，驗證了該相干合束系統的時間同步及束間CEP差的測控能力。下一步，研究團隊將拓展少周期飛秒激光束數量，將該測量技術同時應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支持。

相關工作得到國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作項目、國家自然科學基金、中國科學院A類先導專項等項目支持。

審核編輯 黃宇