上海光機所提出空氣激光級聯(lián)放大方案并實現(xiàn)高靈敏氣體探測

圖1. (A)空氣激光的級聯(lián)放大方案示意圖;(B)不同聚焦次數(shù)下獲得的空氣激光能量隨氣壓的變化;(C)單次和四次聚焦情況下，在40 mbar氮氣中獲得的空氣激光能量隨泵浦能量的變化。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所超強激光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室研究團隊提出空氣激光的級聯(lián)放大方案，產(chǎn)生了目前公開報道輸出能量最高的空氣激光，并進一步發(fā)展了一種高靈敏、單光束相干拉曼光譜技術(shù)，展示了其在多組分氣體靈敏探測方面的優(yōu)勢。相關(guān)成果以“Cascaded amplification of air lasing”為題發(fā)表于Science Advances。

超快強光場驅(qū)動的空氣激光不僅蘊含豐富而新穎的物理機制，而且為大氣遙感、燃燒診斷等領(lǐng)域提供了極具潛力的探測工具。然而，空氣激光的輸出能量通常局限在納焦量級甚至更低的水平，極大地限制了其實際應(yīng)用。為了攻克這一瓶頸，多個國際頂尖研究團隊相繼開展研究。維也納科技大學(xué)、美國空軍實驗室和亞利桑那大學(xué)組成的國際聯(lián)合研究團隊，依托美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的10焦耳皮秒激光裝置，產(chǎn)生了2.5 μJ的氮分子激光，創(chuàng)下了當時大氣環(huán)境中獲得的最強空氣激光紀錄。法國巴黎綜合理工大學(xué)研究團隊利用百毫焦、太瓦級激光系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了2.6 μJ的氮氣離子激光輸出。雖然這些研究均獲得了微焦量級的空氣激光，卻依賴大能量激光裝置。因此，如何利用毫焦耳級商用飛秒激光器產(chǎn)生更高能量的空氣激光，是空氣激光走向?qū)嶋H應(yīng)用必須攻克的核心問題。

在該論文中，研究團隊提出了一種級聯(lián)放大方案，將一束800 nm、5.7 mJ、40 fs的激光脈沖經(jīng)凹面鏡在氮氣中多次聚焦，實現(xiàn)了單脈沖能量高達4.4 μJ的氮氣離子空氣激光輸出(圖1)，刷新了目前公開報道最強的空氣激光紀錄。相應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率為7.7×10-4，比勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的大能量激光系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣激光的轉(zhuǎn)換效率提高了3個數(shù)量級以上。該方案克服了單次聚焦過程中泵浦光強與增益長度難以同時優(yōu)化的矛盾，能夠最大化利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在固定泵浦能量下實現(xiàn)最高能量的空氣激光輸出。該方案還將空氣激光的泵浦能量閾值從3.3 mJ降低到了0.9 mJ，為利用摻鐿固體超快激光器甚至光纖激光器產(chǎn)生高重頻、高通量、小型化空氣激光光源提供了可能，這將極大拓展空氣激光的應(yīng)用場景。

該級聯(lián)放大方案不僅有力提升了空氣激光能量，顯著降低了其泵浦閾值，而且極大拓展了泵浦光的頻譜范圍，并有效壓縮了空氣激光的脈寬，為構(gòu)建單光束相干拉曼光譜儀提供了天然時空鎖定的飛秒/皮秒雙色光源。因此，基于四次聚焦產(chǎn)生的泵浦光和空氣激光，該團隊還發(fā)展了一種高靈敏的單光束相干拉曼光譜技術(shù)，實現(xiàn)了SF6、CO2、O2以及光絲中產(chǎn)生的O3等多種分子的同時探測，SF6氣體的最小探測濃度達到30 ppm的水平(圖2)。

圖2. 基于級聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)在多組分、高靈敏氣體檢測中的應(yīng)用展示。(A)實現(xiàn)多種分子同時探測;(B)實現(xiàn)濃度為30 ppm的SF6氣體的檢測。

該研究利用級聯(lián)放大方案，突破了空氣激光輸出能量、轉(zhuǎn)換效率與泵浦閾值的多重限制，并同步實現(xiàn)了泵浦激光的光譜展寬與空氣激光的脈沖壓縮?；诩壜?lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)展示出ppm級的高靈敏探測能力和卓越的多組分檢測優(yōu)勢，為大氣污染溯源和極端環(huán)境燃燒診斷提供了全新的技術(shù)手段。

相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院相關(guān)項目的支持。

審核編輯 黃宇