實(shí)現(xiàn)多束不同光譜超快激光脈沖，特別是飛秒激光脈沖的相干合成，不僅可以有效提高激光脈沖的總能量，也是獲得亞周期激光脈沖的重要手段，并能突破單束激光脈沖所能提供的峰值功率限制的瓶頸。因此，超快激光脈沖之間的同步與相干合成已成為近年來激光物理領(lǐng)域的重要研究課題，其關(guān)鍵技術(shù)之一是脈沖之間的全相位鎖定與調(diào)控，所涉及的兩個(gè)主要變量分別是單個(gè)脈沖的載波包絡(luò)相位（Carrier－Envelope Phase，CEP）及反映兩束脈沖包絡(luò)相位差的相對延時(shí)（Relative Timing，RT）。通常對于脈寬極短的少周期激光脈沖，上述兩個(gè)變量直接決定了合成脈沖的電場波形，所以要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的相干合成，就需對兩者進(jìn)行精確鎖定控制。目前，單純鎖定超快激光脈沖CEP已有成熟的研究成果，但基于同一裝置實(shí)現(xiàn)RT與CEP的實(shí)時(shí)測量鎖定還未見報(bào)道，這已成為實(shí)現(xiàn)亞周期超快激光脈沖相干合成的主要瓶頸之一。

中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏志義研究組（L07組）長期致力于極短超快激光脈沖產(chǎn)生及精密控制的研究。最近，該組博士生黃沛（中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所聯(lián)培生）、高亦談在方少波（中科院青促會會員）、趙昆及魏志義的指導(dǎo)下，利用f－to－2f自參考裝置，將兩束待合成超快激光中的長波部分倍頻后與短波部分進(jìn)行光譜干涉，通過傅里葉變換分別提取出RT與CEP的信息并同時(shí)進(jìn)行反饋鎖定，僅使用一套自參考裝置，實(shí)現(xiàn)了超快激光脈沖之間的全相位鎖定調(diào)控。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Applied Physics Letters上。

實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵光路如圖1所示，由飛秒鈦寶石放大激光器輸出的光脈沖，經(jīng)充氣中空波導(dǎo)（Hollow fiber）展寬光譜后，利用分束鏡分為兩路，分別通過兩組啁啾鏡組進(jìn)行脈沖壓縮，之后由合束鏡合成，分出小部分到f－2f系統(tǒng)進(jìn)行CEP測量。

圖1．關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)光路圖

通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)了CEP與RT的長時(shí)間鎖定，鎖定時(shí)長超過8小時(shí)，圖2所示為典型的長時(shí)間鎖定結(jié)果。

圖2．CEP與RT長時(shí)間（8h）鎖定結(jié)果

在實(shí)現(xiàn)RT與CEP長期穩(wěn)定鎖定的基礎(chǔ)上，他們通過相干合成得到了短至3.8 fs的準(zhǔn)單周期脈沖，從而首次證明了使用一套自參考f－to－2f裝置，可以實(shí)現(xiàn)兩路激光脈沖之間RT與CEP兩個(gè)變量的精確測量，并運(yùn)用全新的算法提取出RT與CEP的信息，同時(shí)將兩個(gè)變量長期鎖定。此研究成果不僅有效簡化了相干合成超快光場的全相位控制，同時(shí)為新型光場調(diào)控物理提供了全新的研究手段。

該工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（91850209，11434016，61575219）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0110301，2017YFB0405202）以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2018007）的支持。