實現(xiàn)多束不同光譜超快激光脈沖，特別是飛秒激光脈沖的相干合成，不僅可以有效提高激光脈沖的總能量，也是獲得亞周期激光脈沖的重要手段，并能突破單束激光脈沖所能提供的峰值功率限制的瓶頸。因此，超快激光脈沖之間的同步與相干合成已成為近年來激光物理領(lǐng)域的重要研究課題，其關(guān)鍵技術(shù)之一是脈沖之間的全相位鎖定與調(diào)控，所涉及的兩個主要變量分別是單個脈沖的載波包絡(luò)相位（Carrier－Envelope Phase，CEP）及反映兩束脈沖包絡(luò)相位差的相對延時（Relative Timing，RT）。通常對于脈寬極短的少周期激光脈沖，上述兩個變量直接決定了合成脈沖的電場波形，所以要實現(xiàn)嚴格的相干合成，就需對兩者進行精確鎖定控制。目前，單純鎖定超快激光脈沖CEP已有成熟的研究成果，但基于同一裝置實現(xiàn)RT與CEP的實時測量鎖定還未見報道，這已成為實現(xiàn)亞周期超快激光脈沖相干合成的主要瓶頸之一。

中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室魏志義研究組（L07組）長期致力于極短超快激光脈沖產(chǎn)生及精密控制的研究。最近，該組博士生黃沛（中科院西安光學(xué)精密機械研究所聯(lián)培生）、高亦談在方少波（中科院青促會會員）、趙昆及魏志義的指導(dǎo)下，利用f－to－2f自參考裝置，將兩束待合成超快激光中的長波部分倍頻后與短波部分進行光譜干涉，通過傅里葉變換分別提取出RT與CEP的信息并同時進行反饋鎖定，僅使用一套自參考裝置，實現(xiàn)了超快激光脈沖之間的全相位鎖定調(diào)控。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Applied Physics Letters上。

實驗的關(guān)鍵光路如圖1所示，由飛秒鈦寶石放大激光器輸出的光脈沖，經(jīng)充氣中空波導(dǎo)（Hollow fiber）展寬光譜后，利用分束鏡分為兩路，分別通過兩組啁啾鏡組進行脈沖壓縮，之后由合束鏡合成，分出小部分到f－2f系統(tǒng)進行CEP測量。

圖1．關(guān)鍵實驗光路圖

通過優(yōu)化實驗系統(tǒng)，最終同時實現(xiàn)了CEP與RT的長時間鎖定，鎖定時長超過8小時，圖2所示為典型的長時間鎖定結(jié)果。

圖2．CEP與RT長時間（8h）鎖定結(jié)果

在實現(xiàn)RT與CEP長期穩(wěn)定鎖定的基礎(chǔ)上，他們通過相干合成得到了短至3.8 fs的準單周期脈沖，從而首次證明了使用一套自參考f－to－2f裝置，可以實現(xiàn)兩路激光脈沖之間RT與CEP兩個變量的精確測量，并運用全新的算法提取出RT與CEP的信息，同時將兩個變量長期鎖定。此研究成果不僅有效簡化了相干合成超快光場的全相位控制，同時為新型光場調(diào)控物理提供了全新的研究手段。

該工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點項目（91850209，11434016，61575219）、國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0110301，2017YFB0405202）以及中科院青年創(chuàng)新促進會（2018007）的支持。