周期量级激光脉冲光场的操控与相干合成的研究

光场是具有频率、相位、振幅、偏振及脉宽等物理信息的电磁波，实现对光波电场的任意控制，是物理学家追求的梦想之一。利用调控的光场与物质相互作用，可以激发前所未有的新现象、探索新的科学规律，并操纵控制光场作用下微观粒子的运动特性和发展过程。近年来超短脉冲激光及相关技术的发展，为直接精密调控光的电场提供了可能，与微波电子学相对应，一门新的学科- - 光波电子学正在形成。针对这一背景，本项目拟以飞秒钛宝石激光为对象，通过对脉宽压缩、相位控制及光谱整形等内容的研究，实现光场在时域、频域的精确控制与合成，得到时域上接近单个光学周期（小于5fs）、频域上覆盖近倍频程光谱（600～1100nm）、相位可精确锁定、振荡过程可编程控制的相干光场，从而实现对作为电磁波的光场的极限操控。这一工作不仅能证明人们对电磁波的极限调控能力，而且还可望带动精密光谱学、超快科学、量子调控等研究的新突破，是具有重要学术意义的前沿课题

本项目拟以飞秒钛宝石激光为对象，通过对脉宽压缩、相位控制及光谱整形等内容的研究，实现光场在时域、频域的精确控制，得到时域上接近单个光学周期（小于5fs）、频域上覆盖近倍频程光谱、相位可精确锁定的相干光场，从而实现对作为电磁波的光场的极限操控。在3年周期内，很好地执行了各年度的计划安排。首先实现了小于10fs的周期量级飞秒激光振荡器，并以此为基础利用差频方法实现从振荡器输出脉冲的载波包络相位锁定。其次，通过多通放大将脉冲放大到1mJ，并注入到差分泵浦的波导光纤进行光谱展宽，展宽后的光谱范围从600nm~1100nm，利用啁啾镜压缩实现了小于5fs，能量约0.4mJ，重复频率为1kHz的脉冲输出。第三，相对于常规的放大脉冲CEP锁定不同，我们利用从波导光纤输出的光谱本身就大于一个倍频程的特点，而不需要另加白宝石波片来产生白光，直接从波导光纤输出的宽光谱光中分出一小部分注入到f-2f干涉装置中，将CEP漂移提取出来，并反馈控制压缩器中色散棱镜的插入量，实现了对放大激光的载波包络相位的长时间锁定，锁定后的相位的抖动在7个小时的时间内经过测量为70mrad。第四，将相位锁定的5fs激光脉冲与气体相互作用产生高次谐波，通过调制驱动激光的相位，获得了不同相位产生的高次谐波光谱，证明了我们对激光电场的操作与控制。第五，利用我们组建的阿秒条纹相机装置，将产生的单个阿秒激光在飞秒激光电场中进行扫描获得了阿秒条纹分布，通过反演得到了飞秒脉冲电场分布的信息。从上述实验结果表明我们已经实现对飞秒激光电场的操作与控制，为精密光谱学、超快科学、量子调控等研究方向打下坚实的基础。