圖1 (a)單次寬帶TG FROG裝置; (b)寬帶非線性頻率變換過程與雙脈沖測量實驗光路圖。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室研究團(tuán)隊在復(fù)雜組合激光脈沖單發(fā)次表征技術(shù)研究方面取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊基于一種改進(jìn)型寬帶瞬態(tài)光柵頻率分辨光學(xué)開關(guān)技術(shù)(TG-FROG)，實現(xiàn)了復(fù)雜高功率激光脈沖的單發(fā)次完整表征，并揭示了超短脈沖在非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中的動態(tài)演化規(guī)律。相關(guān)研究成果以“Single-shot complete characterization of synthesized laser pulses and nonlinear frequency-conversion process”為題發(fā)表于Optics Express。

組合激光場(不同偏振、中心波長或脈寬的脈沖組合)在超快光譜學(xué)、高次諧波產(chǎn)生等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，但其精確測量面臨多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法受限于偏振敏感性、測量帶寬不足或需多次測量，難以滿足高功率、低重復(fù)頻率激光系統(tǒng)的實時診斷需求。此外，復(fù)雜脈沖的非線性頻率變換過程動態(tài)特性缺乏有效觀測手段，制約了激光系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用拓展。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊基于改進(jìn)的TG-FROG測量技術(shù)，通過自參考和反射式結(jié)構(gòu)與寬波段成像光譜儀的設(shè)計，實現(xiàn)支持至少460nm光譜范圍的單次測量，時間分辨率5.81 fs，光譜分辨率優(yōu)于0.13 nm。實現(xiàn)了基頻脈沖與二次諧波脈沖在非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中波形和光譜演變的同步觀測，揭示了高能量注入下的光譜展寬、紅移及時域多峰結(jié)構(gòu)等復(fù)雜調(diào)制效應(yīng)。并且成功測量了級聯(lián)二次諧波過程產(chǎn)生的具有光譜時域分離的雙色脈沖，解析了其時延(208.4 fs)與相對相位(0.29 rad)，突破了相位模糊限制。該方法一方面可以為超寬帶激光脈沖波形與對比度優(yōu)化提供了良好測量手段，同時也能為復(fù)雜非線性光學(xué)物理過程提供了有力的診斷工具。

圖2 高注入能量下，SHG過程中基頻脈沖和二次諧波脈沖的TG-FROG同步測量結(jié)果

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項課題、中國科學(xué)院創(chuàng)新基金等項目的支持。

審核編輯 黃宇