實現多束不同光譜超快雷射脈衝，特別是飛秒雷射脈衝的相干合成，不僅可以有效提高雷射脈衝的總能量，也是獲得亞周期雷射脈衝的重要手段，並能突破單束雷射脈衝所能提供的峰值功率限制的瓶頸。因此，超快雷射脈衝之間的同步與相干合成已成為近年來雷射物理領域的重要研究課題，其關鍵技術之一是脈衝之間的全相位鎖定與調控，所涉及的兩個主要變量分別是單個脈衝的載波包絡相位（Carrier-Envelope Phase，CEP）及反映兩束脈衝包絡相位差的相對延時（Relative Timing，RT）。通常對於脈寬極短的少周期雷射脈衝，上述兩個變量直接決定了合成脈衝的電場波形，所以要實現嚴格的相干合成，就需對兩者進行精確鎖定控制。目前，單純鎖定超快雷射脈衝CEP已有成熟的研究成果，但基於同一裝置實現RT與CEP的實時測量鎖定還未見報導，這已成為實現亞周期超快雷射脈衝相干合成的主要瓶頸之一。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室魏志義研究組（L07組）長期致力於極短超快雷射脈衝產生及精密控制的研究。最近，該組博士生黃沛（西光所聯培生）、高亦談在方少波（中科院青促會會員）、趙昆及魏志義研究員的指導下，利用f-to-2f自參考裝置，將兩束待合成超快雷射中的長波部分倍頻後與短波部分進行光譜幹涉，通過傅立葉變換分別提取出RT與CEP的信息並同時進行反饋鎖定，僅使用一套自參考裝置，實現了超快雷射脈衝之間的全相位鎖定調控。相關結果發表在最近的Applied Physics Letters上。
實驗的關鍵光路如圖1所示，由飛秒鈦寶石放大雷射器輸出的光脈衝，經充氣中空波導（Hollow fiber）展寬光譜後，利用分束鏡分為兩路，分別通過兩組啁啾鏡組進行脈衝壓縮，之後由合束鏡合成，分出小部分到f-2f系統進行CEP測量。通過優化實驗系統，最終同時實現了CEP與RT的長時間鎖定，鎖定時長超過8小時，圖2所示為典型的長時間鎖定結果。
在實現RT與CEP長期穩定鎖定的基礎上，他們通過相干合成得到了短至3.8 fs的準單周期脈衝，從而首次證明了使用一套自參考f-to-2f裝置，可以實現兩路雷射脈衝之間RT與CEP兩個變量的精確測量，並運用全新的算法提取出RT與CEP的信息，同時將兩個變量長期鎖定。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，同時為新型光場調控物理提供了全新的研究手段。
該工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃重點項目（91850209, 11434016, 61575219）、國家重點研發計劃項目（2017YFC0110301, 2017YFB0405202）以及中國科學院青年創新促進會（2018007）的支持。
圖1. 關鍵實驗光路圖
圖2. CEP與RT長時間（8h）鎖定結果
編輯：重光