超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第六百零二期)

2025年1月24日

上海光機(jī)所在皮秒激光器精密光同步研究方面取得新進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在皮秒激光器精密光同步研究方面取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于自主建設(shè)的時(shí)間同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了皮秒激光器阿秒級(jí)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(biāo)是探測(cè)和操控電子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)決定的，而阿秒級(jí)時(shí)間尺度為直接觀測(cè)和操控這些過程提供了可能。阿秒(10^-18秒)是目前人類在時(shí)間尺度上所能精確操控的最短單位，而實(shí)現(xiàn)這種超高精度的時(shí)間控制離不開激光時(shí)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(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)光源，因此如何將皮秒級(jí)激光器的時(shí)間抖動(dòng)校正到阿秒級(jí)別，是保證阿秒科學(xué)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了激光同步技術(shù)，對(duì)皮秒激光器進(jìn)行高精度時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量和實(shí)時(shí)反饋，將系統(tǒng)的時(shí)間抖動(dòng)控制在阿秒級(jí)范圍內(nèi)，提升了激光系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中的可靠性。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)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(chǎng)干涉技術(shù)進(jìn)行時(shí)間抖動(dòng)的測(cè)量，并開發(fā)了分析與控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jí)別，利用MPC將0.8 ps壓縮至95 fs，使得BOC的測(cè)量精度從14.57 mv/fs提升至52.5 mv/fs，該測(cè)量精度下，BOC將時(shí)間抖動(dòng)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(cè)量的反饋回路對(duì)相位波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，使其達(dá)到 189 as () RMS，結(jié)果如圖3所示。相關(guān)研究為阿秒級(jí)時(shí)間尺度上的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了可能，對(duì)于阿秒分辨率成像、超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)和泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展具有重要的科學(xué)價(jià)值。

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

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圖1 皮秒激光器同步示意圖

圖2 (a) 非共線 BOC 示意圖, (b)脈寬為0.8 ps和95 fs 時(shí)互相關(guān)曲線。(c) 反饋關(guān)閉(灰線)和開啟(黑線，紅線)時(shí)的時(shí)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(qiáng)度分布示意圖(插圖為干涉圖案)，(b) BOC (灰線)和BOC與干涉同時(shí)開啟(紅線)時(shí)間抖動(dòng)校正結(jié)果