“本次成果帶來了一項(xiàng)革命性技術(shù)突破，即通過在空氣中引入利用電場(chǎng)調(diào)控飛秒激光成絲過程，產(chǎn)生了穩(wěn)定的高重頻、高強(qiáng)度的超連續(xù)光源。

對(duì)于推動(dòng)熒光顯微術(shù)、激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)成像、光學(xué)相干斷層掃描、以及阿秒脈沖技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響，是領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重大里程碑?！?/p>

對(duì)于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所發(fā)表在 Light: SCience & Applications 的新論文，其中一位審稿人給予上述高度認(rèn)可。

（來源：Light: SCience & Applications）

在這項(xiàng)研究之中，課題組提出了一種能同時(shí)有效提升高重頻飛秒光絲、和超連續(xù)譜（SC，Supercontinuum）白光光源指向穩(wěn)定性的方法。

通過外電場(chǎng)調(diào)控，該團(tuán)隊(duì)解決了高重頻飛秒激光大氣成絲過程中光絲自抖動(dòng)的國際難題。

即在空氣中產(chǎn)生了指向和強(qiáng)度穩(wěn)定的、大能量高強(qiáng)度、高重頻（1kHz）超連續(xù)譜白光激光光源。

圖 | 不同高壓下，光絲（a-d）及對(duì)應(yīng)前向白光（e-h）光斑的位置分布圖（來源：Light: SCience & Applications）

據(jù)介紹，通過外加直流電場(chǎng)，可以有效地抑制光絲內(nèi)等離子體復(fù)合，從而顯著延長等離子體的壽命。

這樣一來在相鄰脈沖之間，可以明顯減少空氣中因等離子體復(fù)合而沉積的熱量，進(jìn)而降低熱致氣流的擾動(dòng)強(qiáng)度。

在這種高電場(chǎng)環(huán)境之下，電暈放電產(chǎn)生的穩(wěn)定離子風(fēng)，也能有效克服光絲自擾動(dòng)氣流。

實(shí)驗(yàn)中，通過在 1kHz 飛秒激光空氣光絲上施加高壓直流電場(chǎng)時(shí)，高重頻光絲、及其產(chǎn)生的前向超連續(xù)譜白光空間指向穩(wěn)定性至少提高了兩倍。

這不僅證實(shí)了外部直流電場(chǎng)在高重頻光絲控制方面的重要作用，也為高重頻光絲在光譜、加工、其他伴生輻射源等應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。

總的來說，本次研究展示了直流電場(chǎng)對(duì)空氣中激光光絲影響的前沿成果。課題組發(fā)現(xiàn)，隨著直流電場(chǎng)強(qiáng)度的提升，激光光絲的空間抖動(dòng)現(xiàn)象得到顯著穩(wěn)定。

期間，他們也深入探討了電場(chǎng)對(duì)飛秒光絲的調(diào)制效應(yīng)，并通過實(shí)驗(yàn)研究揭示了一個(gè)引人入勝的新現(xiàn)象。

通過此，他們不僅成功識(shí)別出一種獨(dú)特的機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)該機(jī)制能夠顯著降低成絲過程、以及脈沖傳播期間由自加熱效應(yīng)引起的氣流擾動(dòng)。

而且，該團(tuán)隊(duì)還巧妙地構(gòu)建了一個(gè)理論模型來闡釋所觀察到的現(xiàn)象，從而深刻地揭示了其背后的物理本質(zhì)。

電場(chǎng)輔助下的高重頻飛秒光絲、以及空間穩(wěn)定的超連續(xù)譜輻射，預(yù)計(jì)能在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：

其一，可用于高精度光學(xué)測(cè)量。

通過電場(chǎng)輔助的飛秒光絲，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)極小時(shí)間和空間尺度的精確測(cè)量。這能為物理、化學(xué)和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間分辨率測(cè)量提供了強(qiáng)大的工具。

其二，可用于材料加工。

電場(chǎng)輔助的飛秒光絲因其極高的精度和控制性，適用于精細(xì)材料加工。它可以在不破壞材料周圍區(qū)域的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。

其三，可用于物質(zhì)探測(cè)。

基于高重頻光絲的超連續(xù)譜輻射、二次諧波、三次諧波、空氣激光、THz 光源等，可被用于多相態(tài)、多物質(zhì)成分的光譜分析。

外電場(chǎng)調(diào)控的高重頻氣體成絲，可以改善上述伴生輻射源的穩(wěn)定性和傳輸效率，從而提高相關(guān)應(yīng)用的靈敏度和準(zhǔn)確性等效能。

據(jù)了解，超連續(xù)白光的原理是將超短激光脈沖射入透明介質(zhì)內(nèi)。由于一系列非線性效應(yīng)，使得出射激光光譜得到極大展寬，從而產(chǎn)生的具有連續(xù)光譜分布的白光。

因其超寬的光譜以及相干特性，超連續(xù)譜白光激光已被廣泛用于光學(xué)參量放大、光脈沖壓縮、激光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)躍遷的動(dòng)態(tài)表征、大氣遙感探測(cè)分析、以及白光激光雷達(dá)等方面。

能產(chǎn)生超連續(xù)白光的介質(zhì)有很多，其中固體材料或光子晶體等較為常見。但是，由于固體介質(zhì)損傷閾值的限制，無法產(chǎn)生大能量的超連續(xù)白光激光。

利用超快超強(qiáng)脈沖激光在氣體介質(zhì)中電離成絲，就可以突破這一局限。在氣體成絲過程中，由于克爾效應(yīng)自相位調(diào)制、自陡峭效應(yīng)和四波混頻等非線性效應(yīng)機(jī)制，使得激光光譜得以顯著展寬。

但是，隨著高重頻激光技術(shù)的發(fā)展，高重頻光絲的優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)。

例如，利用高重頻光絲實(shí)現(xiàn)超連續(xù)白光雷達(dá)探測(cè)，不僅具有更高的響應(yīng)速度，而且能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)于空間位置的高幀率掃描。

但是，對(duì)于高重頻氣體光絲來說，由于激光能量在氣體中的沉積，氣體分子熱擴(kuò)散過程中會(huì)引起氣流運(yùn)動(dòng)，使得激光傳輸路徑上將會(huì)出現(xiàn)湍流，從而造成下一激光脈沖的光束偏折。

進(jìn)而導(dǎo)致光絲指向性變差，這會(huì)嚴(yán)重影響基于氣體成絲產(chǎn)生的超連續(xù)白光的強(qiáng)度和空間穩(wěn)定性，也對(duì)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。

基于此，為了探索飛秒光絲的更廣泛應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了光場(chǎng)與高壓電場(chǎng)交叉領(lǐng)域的研究，并進(jìn)行了大量關(guān)于飛秒光絲誘導(dǎo)電暈放電的實(shí)驗(yàn)工作。

令他們驚喜的是，電場(chǎng)對(duì)于提高光絲引導(dǎo)前向白光的穩(wěn)定性具有顯著作用，這一現(xiàn)象是在實(shí)驗(yàn)中偶然觀察到的。發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)后，他們迅速?zèng)Q定深入研究這一現(xiàn)象。

后來，他們首先開展了深入的文獻(xiàn)調(diào)查，學(xué)習(xí)光場(chǎng)、等離子體與電場(chǎng)之間的相互作用。

隨后，又開展了大量實(shí)驗(yàn)，探索如何準(zhǔn)確地控制電場(chǎng)、如何觀測(cè)和測(cè)量光絲和超連續(xù)譜輻射等。

隨著數(shù)據(jù)的積累，他們發(fā)現(xiàn)了一些新規(guī)律：隨著外加直流高壓的增大，光絲以及前向超連續(xù)譜輻射的空間穩(wěn)定性會(huì)不斷提升。但是，當(dāng)高壓到達(dá)一定閾值時(shí)，就不再發(fā)生改變。

在這個(gè)過程中超連續(xù)輻射光譜強(qiáng)度也得到了提升。于是，課題組從飛秒激光空氣成絲熱致抖動(dòng)的本源出發(fā)，建立了理論模型，解釋了這一現(xiàn)象的物理機(jī)制。

最終，相關(guān)論文以《通過電場(chǎng)輔助飛秒激光在空氣中成絲產(chǎn)生 1 kHz 穩(wěn)定、強(qiáng)烈的超連續(xù)譜光》（Stable, intense supercontinuum light generation at 1?kHz by electric field assisted femtosecond laser filamentation in air）為題發(fā)在 Light: SCience & Applications（IF 19.4）。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: SCience & Applications）

劉堯香是第一作者，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王鐵軍研究員、冷雨欣研究員、李儒新研究員擔(dān)任共同通訊作者 [1]。

圖 | 王鐵軍（來源：王鐵軍）

另據(jù)悉，當(dāng)超強(qiáng)超快激光穿過非線性氣體介質(zhì)時(shí)，它會(huì)誘發(fā)強(qiáng)烈的非線性光學(xué)效應(yīng)，比如諧波生成和參量放大等，這些效應(yīng)可以被用來產(chǎn)生二次輻射。

值得注意的是，這些二次輻射的特性是由光絲特性決定的，而他們可以通過電場(chǎng)來精確調(diào)控光絲特性。

因此在下一步的研究中，他們計(jì)劃利用電場(chǎng)與光場(chǎng)的相互作用，以課題組現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步深入探索如何利用電場(chǎng)調(diào)控以高重頻光絲作為二次輻射源的特性，并探索相關(guān)新現(xiàn)象、新機(jī)制和新應(yīng)用。

參考資料：

1.Liu, Y., Yin, F., Wang, TJ.et al. Stable, intense supercontinuum light generation at 1?kHz by electric field assisted femtosecond laser filamentation in air. Light SCi Appl 13, 42 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01364-3