圖1 皮秒激光器同步示意圖

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室在皮秒激光器精密光同步研究方面取得新進展。研究團隊基于自主建設(shè)的時間同步系統(tǒng)實現(xiàn)了皮秒激光器阿秒級同步。相關(guān)成果以“Long-term stable timing fluctuation correction for a picosecond laser with attosecond-level accuracy”為題發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

阿秒科學(xué)是超快光學(xué)和激光科學(xué)的重要分支，其核心目標是探測和操控電子運動等超快現(xiàn)象，為理解物質(zhì)世界的基本規(guī)律提供全新視角。例如，在化學(xué)反應(yīng)中，分子鍵的斷裂和重組是由電子的超快運動決定的，而阿秒級時間尺度為直接觀測和操控這些過程提供了可能。阿秒(10-18秒)是目前人類在時間尺度上所能精確操控的最短單位，而實現(xiàn)這種超高精度的時間控制離不開激光時間同步技術(shù)的支撐。由于皮秒(10^-12秒)激光脈沖是許多阿秒科學(xué)實驗的重要基礎(chǔ)光源，因此如何將皮秒級激光器的時間抖動校正到阿秒級別，是保證阿秒科學(xué)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。

研究團隊進一步發(fā)展了激光同步技術(shù)，對皮秒激光器進行高精度時間抖動測量和實時反饋，將系統(tǒng)的時間抖動控制在阿秒級范圍內(nèi)，提升了激光系統(tǒng)在長時間運行中的可靠性。實驗裝置如圖1所示，研究團隊利用多通腔(MPC)脈沖壓縮技術(shù)、平衡光學(xué)互相關(guān)(BOC)技術(shù)、近場干涉技術(shù)進行時間抖動的測量，并開發(fā)了分析與控制系統(tǒng)對時間抖動進行實時校正。由于Yb:YAG晶體的增益帶寬限制，利用該晶體的固體激光器輸出脈沖寬度通常為幾百飛秒甚至皮秒級別，利用MPC將0.8 ps壓縮至95 fs，使得BOC的測量精度從14.57 mv/fs提升至52.5 mv/fs，該測量精度下，BOC將時間抖動預(yù)先校正至1.12 fs，結(jié)果如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，使用基于干涉測量的反饋回路對相位波動進行補償，使其達到 189 as () RMS，結(jié)果如圖3所示。相關(guān)研究為阿秒級時間尺度上的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了可能，對于阿秒分辨率成像、超快動力學(xué)探測和泵浦-探測實驗的發(fā)展具有重要的科學(xué)價值。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年基礎(chǔ)研究項目、以及中國科學(xué)院上海分院-上海市基礎(chǔ)研究先導(dǎo)計劃的支持。

圖2 (a) 非共線 BOC 示意圖, (b)脈寬為0.8 ps和95 fs 時互相關(guān)曲線。(c) 反饋關(guān)閉(灰線)和開啟(黑線，紅線)時的時序漂移

圖3 (a)有相位漂移(紅線)和無相位漂移(黑線)干涉條紋強度分布示意圖(插圖為干涉圖案)，(b) BOC (灰線)和BOC與干涉同時開啟(紅線)時間抖動校正結(jié)果

審核編輯 黃宇