近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室在多路超短脉冲时间同步与空间叠合度测量方面取得研究进展，相关研究成果以“High-precision spatiotemporal three-dimensional ultrashort pulse synchronization with optical Kerr effect”为题发表于Optics Express。
在等离子体物理、惯性约束核聚变和实验室天体物理学等研究领域，在研究多个超短脉冲与物质的相互作用时，对多个超短脉冲之间的高精度时间同步和空间叠合测试有很高的要求。然而目前的超短脉冲同步测试方案很难兼顾多路超短脉冲的高精度、大角度的时间同步和空间重合度测量。
图1 超短脉冲时空同步实验的光路图
在这项工作中，研究人员通过观察光克尔效应的瞬态现象，实现了超短脉冲在不同角度下高精度三维(x, y, t)同步。光克尔信号脉冲的强度和相位的变化与时空重合程度成正相关。待测激光的相位无法通过探测器直接进行记录，需要利用单次相位成像算法进行重建，其中相干调制成像借助于编码板的调制作用，具有较高的收敛性能。相位重建算法利用编码板相位调制信息和CCD记录的衍射光斑作为主要约束条件，通过迭代计算，获得逐渐逼近真实分布的光克尔信号光波前振幅和相位信息。实验中使用了10ps的脉冲，通过观察信号脉冲的强度和相位分布，得出通过观察相位能够得到更高的时间同步精度，最终实现了两个脉冲之间小于1ps的的时间同步精度，分别在x和y方向上实现了±125µm和±3µm的空间叠合精度，该精度分别取决于同步调整用的位移台的步长精度和CCD像素尺寸，其中通过使用移动步长更小的位移台可以提升x方向的精度。此外，实验测量了两个脉冲夹角为90°时两者间的同步，进一步证明了该方法可以实现大角度超短脉冲之间的时空同步。通过实验分析了泵浦能量和信号光能量波动带来的影响，结果表明相位测量相对强度测量而言稳定性会更高，有利于多束脉冲的同步测量。该研究为多路激光时空叠合测量提供了一种测试方法。
图2 （a1-a2）泵浦光与信号光夹角θ=30°时，不同延迟下的强度曲线；（b1-b2）θ=30°时，不同延迟下的相位变化曲线；（c1-c2）θ=50°时，不同延迟下的强度曲线；（d1-d2）θ=50°时，不同延迟下的相位变化曲线。
