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(hào)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(guó)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(guó)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(duì)空氣中氮分子熒光信號(hào)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(duì)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(huì)形成高強(qiáng)度的等離子體光絲，其伴隨的熒光信號(hào)為探測(cè)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(huì)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(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(dòng)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(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)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