近日，中國(guó)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(shí)驗(yàn)室在多路超短脈沖時(shí)間同步與空間疊合度測(cè)量方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“High-precision spatiotemporal three-dimensional ultrashort pulse synchronization with optical Kerr effect”為題發(fā)表于Optics Express。

在等離子體物理、慣性約束核聚變和實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)等研究領(lǐng)域，在研究多個(gè)超短脈沖與物質(zhì)的相互作用時(shí)，對(duì)多個(gè)超短脈沖之間的高精度時(shí)間同步和空間疊合測(cè)試有很高的要求。然而目前的超短脈沖同步測(cè)試方案很難兼顧多路超短脈沖的高精度、大角度的時(shí)間同步和空間重合度測(cè)量。

在這項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)觀察光克爾效應(yīng)的瞬態(tài)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了超短脈沖在不同角度下高精度三維(x, y, t)同步。光克爾信號(hào)脈沖的強(qiáng)度和相位的變化與時(shí)空重合程度成正相關(guān)。待測(cè)激光的相位無(wú)法通過(guò)探測(cè)器直接進(jìn)行記錄，需要利用單次相位成像算法進(jìn)行重建，其中相干調(diào)制成像借助于編碼板的調(diào)制作用，具有較高的收斂性能。相位重建算法利用編碼板相位調(diào)制信息和CCD記錄的衍射光斑作為主要約束條件，通過(guò)迭代計(jì)算，獲得逐漸逼近真實(shí)分布的光克爾信號(hào)光波前振幅和相位信息。實(shí)驗(yàn)中使用了10ps的脈沖，通過(guò)觀察信號(hào)脈沖的強(qiáng)度和相位分布，得出通過(guò)觀察相位能夠得到更高的時(shí)間同步精度，最終實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)脈沖之間小于1ps的的時(shí)間同步精度，分別在x和y方向上實(shí)現(xiàn)了±125μm和±3μm的空間疊合精度，該精度分別取決于同步調(diào)整用的位移臺(tái)的步長(zhǎng)精度和CCD像素尺寸，其中通過(guò)使用移動(dòng)步長(zhǎng)更小的位移臺(tái)可以提升x方向的精度。此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩個(gè)脈沖夾角為90°時(shí)兩者間的同步，進(jìn)一步證明了該方法可以實(shí)現(xiàn)大角度超短脈沖之間的時(shí)空同步。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了泵浦能量和信號(hào)光能量波動(dòng)帶來(lái)的影響，結(jié)果表明相位測(cè)量相對(duì)強(qiáng)度測(cè)量而言穩(wěn)定性會(huì)更高，有利于多束脈沖的同步測(cè)量。該研究為多路激光時(shí)空疊合測(cè)量提供了一種測(cè)試方法。

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圖1 超短脈沖時(shí)空同步實(shí)驗(yàn)的光路圖

圖2 （a1-a2）泵浦光與信號(hào)光夾角θ=30°時(shí)，不同延遲下的強(qiáng)度曲線；（b1-b2）θ=30°時(shí)，不同延遲下的相位變化曲線；（c1-c2）θ=50°時(shí)，不同延遲下的強(qiáng)度曲線；（d1-d2）θ=50°時(shí)，不同延遲下的相位變化曲線。