圖1 (a)在激光重頻為 100 Hz 和 1000 Hz時(shí)，光絲發(fā)射熒光的光譜強(qiáng)度，(b)337 nm 和 (c)391 nm 處的熒光信號峰值強(qiáng)度隨初始脈沖能量和激光重復(fù)頻率的變化。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在脈沖累計(jì)效應(yīng)影響飛秒激光成絲熒光發(fā)射研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了激光重復(fù)頻率對空氣中氮分子熒光信號的調(diào)控機(jī)制，闡明了飛秒激光成絲中脈沖累計(jì)效應(yīng)引發(fā)的空氣密度變化及其對等離子體激發(fā)過程的影響。相關(guān)研究成果以“Mechanistic insights into the cumulative effect of femtosecond filamentation on nitrogen fluorescence in air”為題，發(fā)表于 Optics & Laser Technology。

飛秒激光在空氣中傳播時(shí)會形成高強(qiáng)度的等離子體光絲，其伴隨的熒光信號為探測大氣成分和診斷非線性過程提供了重要手段。然而，當(dāng)激光以高重復(fù)頻率工作時(shí)，前一脈沖產(chǎn)生的局域加熱與空氣密度的局部降低會顯著改變后續(xù)脈沖的傳播環(huán)境，從而影響光絲的熒光發(fā)射。針對這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，定量分析了不同重復(fù)頻率下空氣中氮分子第一負(fù)帶(N??)與第二正帶(N?)的熒光變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著重復(fù)頻率升高，空氣密度降低使得后續(xù)脈沖在低密度介質(zhì)中以更高強(qiáng)度傳播，導(dǎo)致電離增強(qiáng)與電子動能升高，從而顯著提升了兩類熒光的發(fā)射強(qiáng)度。

研究進(jìn)一步揭示，高重復(fù)頻率下的熒光增強(qiáng)主要源于兩種機(jī)制：其一是光絲峰值強(qiáng)度的提升使氮分子電離效率增加，增強(qiáng)了N??的第一負(fù)帶熒光;其二是高動能電子碰撞激發(fā)過程的增強(qiáng)，促進(jìn)了中性氮分子的第二正帶熒光。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，系統(tǒng)闡明了脈沖累計(jì)效應(yīng)在光絲非線性演化中的作用，為高重復(fù)頻率飛秒激光在大氣遙感、等離子體光譜及超快診斷中的應(yīng)用提供了新的理論依據(jù)。

相關(guān)研究得到電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金、上海市科技計(jì)劃等資助。

審核編輯 黃宇