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

(第五百五十七期)

2024年10月9日

上海光機(jī)所在激光空氣成絲產(chǎn)生三次諧波方面取得進(jìn)展

近期，中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)高重頻飛秒激光空氣成絲誘導(dǎo)的三次諧波存在顯著的自抖動(dòng)，針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，提出了一種基于外加直流電場(chǎng)的解決方案，顯著降低了三次諧波的光束指向和強(qiáng)度抖動(dòng)，為產(chǎn)生穩(wěn)定、大能量高重復(fù)頻率紫外和極紫外激光源提供了思路。相關(guān)研究成果以Improving the beam pointing and intensity stability of the third harmonic generated in air filament為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。

紫外和極紫外激光在高分辨率成像、材料加工和先進(jìn)光譜學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。諧波是獲取這些短波長(zhǎng)激光的重要手段之一。傳統(tǒng)基于非線性晶體的諧波產(chǎn)生方式，受晶體紫外透光截止波長(zhǎng)、損傷閾值等限制，較難獲得大能量紫外光源?；诩す鈿怏w成絲誘導(dǎo)的三次諧波可以突破上述局限。

在該工作中，團(tuán)隊(duì)研究了飛秒激光空氣成絲誘導(dǎo)三次諧波的穩(wěn)定性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)高重復(fù)頻率條件下，激光成絲產(chǎn)生的三次諧波光束抖動(dòng)顯著增強(qiáng)（圖1），嚴(yán)重影響了三次諧波的穩(wěn)定性，成為制約其應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了外部直流電場(chǎng)，成功抑制了三次諧波光束的指向和強(qiáng)度抖動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1 kHz重復(fù)頻率下，光束指向抖動(dòng)降低了約50%，強(qiáng)度抖動(dòng)也得到有效抑制（圖2）。這是由于外部電場(chǎng)能夠抑制等離子體復(fù)合效應(yīng)，減少脈沖之間因等離子體復(fù)合造成的熱量沉積，從而降低了由熱擴(kuò)散造成的氣流擾度強(qiáng)度。流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了外加直流電場(chǎng)對(duì)激光絲等離子體通道穩(wěn)定性的提升，進(jìn)而提高了三次諧波的穩(wěn)定性。該研究不僅為開發(fā)高重復(fù)頻率、高穩(wěn)定性的大能量紫外和極紫外激光源奠定了基礎(chǔ)，也為其在成像、精密加工等領(lǐng)域應(yīng)用開辟了新的機(jī)遇。

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

原文鏈接

圖1. 不同重復(fù)頻率下三次諧波(TH)光束指向分布云圖。(a)50Hz, (b)100Hz, (c)500Hz, (d)1 kHz。三次諧波光束指向偏差距離(e)及強(qiáng)度抖動(dòng)(f)隨成絲重復(fù)頻率的變化曲線。紅色點(diǎn)表示未成絲時(shí)泵浦激光的指向分布。

圖2 (a)未施加和施加電場(chǎng)后基于1kHz光絲產(chǎn)生的TH光束指向分布云圖。(b)1kHz TH光束指向偏差距離與施加在光絲上電壓的關(guān)系。(c)1kHz TH的強(qiáng)度抖動(dòng)與施加在光絲上電壓的關(guān)系。