超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第五百九十九期)

2025年1月24日

上海光機所在解決N₂⁺空氣激光淬滅問題研究方面取得進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊在解決N₂⁺空氣激光淬滅問題研究方面取得進展。相關研究結果以“Corona electric field triggered N₂⁺ lasing from a femtosecond laser filament in air”為題發(fā)表于Optics Letters。

近年來，超快強激光技術的迅猛發(fā)展，使得超強激光場與粒子(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，其中N₂⁺空氣激光現(xiàn)象備受關注。空氣激光通常是指超強飛秒激光成絲誘導大氣組分產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)遠場無腔光放大的現(xiàn)象，進而有望在大氣遙感方面得到重要應用。面向大氣應用領域，發(fā)展基于最成熟的800 nm鈦藍寶石飛秒激光直接誘導產(chǎn)生空氣激光顯得至關重要。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，因為空氣中氧分子具有相對較低的電離勢，更容易電離產(chǎn)生等離子體，導致391 nm N₂⁺激光淬滅。

在這項工作中，研究人員利用外加電暈電場與飛秒光絲耦合，在1 atm 空氣中成功誘導了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。外加電暈電場打破了空氣飛秒光絲的對稱性，產(chǎn)生了有效的二次諧波并作為391 nm激射的種子脈沖，導致了前向激光受激放大，進而觀察到391 nm激光輻射明顯增強。該研究團隊通過數(shù)值模擬澄清了外加電暈電場誘導391 nm激光增益背后的物理機制。這項工作為N₂⁺激光輻射的產(chǎn)生提供了新的思路，不僅對解決空氣中391 nm激光的猝滅問題具有重要意義，而且對深入理解空氣激光的產(chǎn)生及其應用具有重要價值。

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

原文鏈接

圖 1. 空氣中飛秒光絲耦合電暈電場誘導N₂⁺激光的實驗裝置

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