超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百九十九期)

2025年1月24日

上海光機(jī)所在解決N₂⁺空氣激光淬滅問題研究方面取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在解決N₂⁺空氣激光淬滅問題研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究結(jié)果以“Corona electric field triggered N₂⁺ lasing from a femtosecond laser filament in air”為題發(fā)表于Optics Letters。

近年來，超快強(qiáng)激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得超強(qiáng)激光場(chǎng)與粒子(原子、分子、離子等)相互作用展現(xiàn)出了許多有趣的非線性效應(yīng)，其中N₂⁺空氣激光現(xiàn)象備受關(guān)注?？諝饧す馔ǔＪ侵赋瑥?qiáng)飛秒激光成絲誘導(dǎo)大氣組分產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)無腔光放大的現(xiàn)象，進(jìn)而有望在大氣遙感方面得到重要應(yīng)用。面向大氣應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展基于最成熟的800 nm鈦藍(lán)寶石飛秒激光直接誘導(dǎo)產(chǎn)生空氣激光顯得至關(guān)重要。但是迄今為止只觀察到427 nm的N₂⁺激光。在1 atm的空氣中激發(fā)391 nm的N₂⁺激光極其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榭諝庵醒醴肿泳哂邢鄬?duì)較低的電離勢(shì)，更容易電離產(chǎn)生等離子體，導(dǎo)致391 nm N₂⁺激光淬滅。

在這項(xiàng)工作中，研究人員利用外加電暈電場(chǎng)與飛秒光絲耦合，在1 atm 空氣中成功誘導(dǎo)了391 nm的N₂⁺激光輻射，解決了利用800 nm飛秒光絲在空氣中激發(fā)391 nm激射的難題。外加電暈電場(chǎng)打破了空氣飛秒光絲的對(duì)稱性，產(chǎn)生了有效的二次諧波并作為391 nm激射的種子脈沖，導(dǎo)致了前向激光受激放大，進(jìn)而觀察到391 nm激光輻射明顯增強(qiáng)。該研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬澄清了外加電暈電場(chǎng)誘導(dǎo)391 nm激光增益背后的物理機(jī)制。這項(xiàng)工作為N₂⁺激光輻射的產(chǎn)生提供了新的思路，不僅對(duì)解決空氣中391 nm激光的猝滅問題具有重要意義，而且對(duì)深入理解空氣激光的產(chǎn)生及其應(yīng)用具有重要價(jià)值。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市科技項(xiàng)目等支持。

原文鏈接

圖 1. 空氣中飛秒光絲耦合電暈電場(chǎng)誘導(dǎo)N₂⁺激光的實(shí)驗(yàn)裝置

圖 2.前向391 nm激光輻射的光譜信號(hào)和空氣中的二次諧波與電暈電壓的依賴關(guān)系。輸入能量為7.47 mJ，脈寬為144 fs