基于独立飞秒激光源的长时间稳定的相干脉冲合成

Phase coherent ultrashort laser pulse synthesis is an important tool for ultrafast science and technology, which enables single cycle or even sub-cycles ultrashort laser pulse synthesis, arbitrary waveform or spectrum generation, and high energy targeted laser beam combination, has substantial applications on the dynamical study of atom scale ultrafast phenomenon, super wideband signal processing and strong field physics. In the time domain, effective phase coherent ultrashort laser pulse synthesis requires exact match of pulse envelopes and the underneath electrical fields. Or equivalently in the optical frequency domain, the longitude modes of the frequency combs should exactly match, that is, the two combs should have same longitude mode spacing and same carrier envelope frequency. A novel method for phase coherent pulse synthesis of independent femtosecond laser sources is proposed in this application: the repetition rate of the two lasers are locked by balanced optical cross correlation method, and the differential carrier envelope phase of the two lasers is canceled outside the laser cavity by a feed forward phase locking scheme. The two phase locked loops are completely orthogonal with each other, which results in a high quality and low drift phase coherent pulse synthesis, with several tens of attoseconds residual timing jitter of both the pulse envelopes and the carrier envelope phase of the two beam combined lasers.

相干脉冲合成是超快科学与技术的重要工具，可以实现单周期甚至亚周期的超短激光脉冲合成、任意波形或任意光谱形状产生、以及能量合束等功能，对原子尺度的超快动力学的研究、超宽带信息处理、强场物理等领域具有极高的价值。从时间域上讲，有效的飞秒激光脉冲相干合成要求脉冲包络与包络之下的激光电场严格匹配。或者对应到光谱域：飞秒激光频率梳的梳齿严格重合，即具有完全相同的纵模间隔与载波包络偏移频率。本项目提出一种独立飞秒激光源的相干脉冲合成方案：基于平衡光学互相关方法锁定重复频率，利用前馈锁相技术在谐振腔外消除两台飞秒激光器间的载波包络相位差，重复频率与载波包络偏移频率的锁相环相互独立，将两台飞秒激光源的脉冲包络之间的时间抖动及载波包络偏移相位之间的时间抖动均降低至阿秒量级，实现高质量的长时间稳定的相干脉冲合成。

超短激光脉冲的相干合成对于单周期甚至亚周期的超短激光脉冲合成、任意波形或任意光谱形状产生、超快激光能量合束具有极高的价值。然而，超短脉冲相干合成具有极大的挑战性，体现在对飞秒激光的两个独立自由度（重复频率和载波-包络相位）的控制精度必须同时到达1/10光学周期，即百阿秒(as, 10^-18 s)量级。本项目探索一种阿秒精度的独立飞秒激光源的相干脉冲合成方法：利用具有阿秒时间分辨力的平衡光学互相关技术实现重复频率锁相；在此基础上，利用平衡零拍探测技术提取两台飞秒激光器的相对载波-包络偏移频率，通过反馈控制腔外的声光频移器，实现载波-包络相位的锁定。在项目进展过程中，我们注重飞秒激光相干合成的物理机理的探索。揭示了腔外载波-包络相位稳定技术能够获得Schawlow-Townes极限的载波-包络相位噪声水平。尤其是，本项目组发现，飞秒激光器的自发辐射的量子噪声是限制高质量的相干合成的核心因素。通过调控飞秒激光振荡器的脉冲动力学过程，量子噪声得到有效的抑制，这极大地放宽了电子锁相环路的设计要求，并最终实现了长时间稳定的相干脉冲合成，锁定时长达到1个小时，远远优于立项时所预期的秒量级锁定时长。项目执行期间，获得了丰硕的研究成果，发表学术论文26篇，其中，JCR一区文章1篇，二区文章11篇，培养研究生5名。特别地，长时间稳定的掺镱飞秒光纤激光器的相干合成的研究工作被Optics Letters以封面文章的形式发表；本人与韩国先进科学技术研究院的Kim Jungwon教授合著的题为“超低噪声的锁模光纤激光器与频率梳：原理、现状及应用”的长篇综述文章，发表在Advances in Optics and Photonics期刊上（2015年影响因子：12.37）。