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超强激光科学卓越创新简报

(第六百十九期)

2025年3月21日

上海光机所在复杂组合激光脉冲单发次表征技术方面取得研究进展

近期，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研究团队在复杂组合激光脉冲单发次表征技术研究方面取得重大进展。研究团队基于一种改进型宽带瞬态光栅频率分辨光学开关技术（TG-FROG），实现了复杂高功率激光脉冲的单发次完整表征，并揭示了超短脉冲在非线性频率转换过程中的动态演化规律。相关研究成果以“Single-shot complete characterization of synthesized laser pulses and nonlinear frequency-conversion process”为题发表于Optics Express。

组合激光场（不同偏振、中心波长或脉宽的脉冲组合）在超快光谱学、高次谐波产生等领域具有重要应用，但其精确测量面临多重挑战。传统方法受限于偏振敏感性、测量带宽不足或需多次测量，难以满足高功率、低重复频率激光系统的实时诊断需求。此外，复杂脉冲的非线性频率变换过程动态特性缺乏有效观测手段，制约了激光系统的优化与应用拓展。

针对上述挑战，研究团队基于改进的TG-FROG测量技术，通过自参考和反射式结构与宽波段成像光谱仪的设计，实现支持至少460nm光谱范围的单次测量，时间分辨率5.81 fs，光谱分辨率优于0.13 nm。实现了基频脉冲与二次谐波脉冲在非线性频率转换过程中波形和光谱演变的同步观测，揭示了高能量注入下的光谱展宽、红移及时域多峰结构等复杂调制效应。并且成功测量了级联二次谐波过程产生的具有光谱时域分离的双色脉冲，解析了其时延（208.4 fs）与相对相位（0.29 rad），突破了相位模糊限制。该方法一方面可以为超宽带激光脉冲波形与对比度优化提供了良好测量手段，同时也能为复杂非线性光学物理过程提供了有力的诊断工具。

相关工作得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项课题、中国科学院创新基金等项目的支持。

原文链接

图1 (a)单次宽带TG FROG装置； (b)宽带非线性频率变换过程与双脉冲测量实验光路图。

图2 高注入能量下，SHG过程中基频脉冲和二次谐波脉冲的TG-FROG同步测量结果

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