激光是了解微观世界的关键工具,而超短脉冲激光更是对探索和控制微观领域的分子、原子以及电子的运动意义重大。目前,单路激光器很难将一个倍频程以上的光谱进行很好的色散补偿,使得单路激光器的输出脉宽存在一定极限。使用相干合成技术对不同的光谱分别进行相位以及振幅调控,可以将一个倍频程以上的光谱进行很好的压缩,用以产生周期量级甚至亚飞秒量级的超短脉冲。基于此背景,本论文主要围绕着周期量级脉冲相干合成技术展开,一方面,完善相干合成关键性技术中:超宽超连续光谱的产生、脉冲之间相位的精确调控、脉宽压缩以及测量等实验;另一方面,使用相干合成技术进行高次谐波产生等应用实验研究。论文的主要研究内容与创新性实验成果如下:1、设计并搭建了高能量、周期量级超短脉冲的空芯光纤系统。使用的驱动光源为商用钛宝石激光器(Coherent),输出参数为单脉冲能量5 mJ、脉宽35 fs、重复频率1kHz、中心波长800 nm。注入到内径400μm,长度1 m的充气空芯光纤中,实验尝试了在真空情况下不同泵浦能量的透过率、氦气以及氖气作为非线性介质的光谱展宽量以及在最优的光谱展宽下压缩测量的脉宽。最终实现了2 mJ、6.7 fs的高能量超短脉冲输出。2、进行了超宽超连续谱产生实验。使用的驱动光源为商用钛宝石激光器(Femtopower Compact Pro CEP),输出参数为单脉冲能量0.8 mJ、脉宽35 fs、重复频率1kHz、中心波长800 nm。采用了两种产生超宽超连续谱的方案,第一种方案使用内径250μm,长度1 m的充气空芯光纤作为非线性介质,将光谱展宽到400–980 nm,超过一个倍频程。另一种方案使用7片0.1 mm厚的熔融石英片作为非线性介质,将光谱展宽到460–950 nm,同样超过一个倍频程。其中利用充气空芯光纤产生的超宽超连续谱比较平滑,是相干合成实验理想的光源。3、针对载波包络相位(CEP:Carrier-Envelope Phase)对周期量级脉冲的振荡电场结构影响很大,利用f-2f方案将放大脉冲进行了CEP的锁定。锁定结果在光谱仪3 ms积分时间下,CEP抖动均方根小于150 mrad。理论模拟了脉冲之间相对延时对合成脉冲电场形状的影响。并使用两种方案将脉冲之间相对延时进行锁定,第一种为平衡光学互相关(BOC:Balance Optical Cross-correlator)方案,最终相对延时锁定精度小于80 as。另一种是提出的全新方案,利用一套f-2f装置,将得到的光谱干涉图样提取出相对延时与CEP的信息同时进行锁定,相对延时锁定精度小于100 as,CEP锁定精度小于280 mrad,实现了脉冲之间总相位的调控。4、搭建了一套瞬态光栅频率分辨(TG-FROG:Transient-Grating FrequencyResolved Optical Gating)装置来进行脉冲波形的测量,通过此装置可以测量相干合成系统中两束子脉冲之间的延时,测量精度小于0.5 fs,极大的降低了超短脉冲之间相对延时的调节难度。另外测量了相干合成系统子脉冲与合成脉冲的脉宽,得到合成脉冲最优化结果为3.8 fs。5、利用相干合成装置,展开了两束具有不同光谱成分的周期量级脉冲进行高次谐波产生的实验研究。通过调节两束脉冲之间相对延时,与氩气相互作用,最终产生了在高次谐波截止区50-68 eV的连续谱,而单路子脉冲在此区域并没有连续谱产生。使用相干合成系统,调节两束脉冲之间相对延时,得到了不同的高次谐波光谱。