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科学家解决飞秒激光成丝抖动难题,生成高强度超连续光源,可用于高精度的光学测量

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“本次成果带来了一项革命性技术突破, 即通过在空气中引入利用电场调控飞秒激光成丝过程,产生了稳定的高重频、高强度的超连续光源。

对于推动荧光显微术、激光雷达、生物医学成像、光学相干断层扫描、以及阿秒脉冲技术的发展具有深远影响,是领域内的一个重大里程碑。”

对于中国科学院上海光学精密机械研究所发表在 Light: SCience & Applications 的新论文,其中一位审稿人给予上述高度认可。


(来源:Light: SCience & Applications)

在这项研究之中,课题组提出了一种能同时有效提升高重频飞秒光丝、和超连续谱(SC,Supercontinuum)白光光源指向稳定性的方法。

通过外电场调控,该团队解决了高重频飞秒激光大气成丝过程中光丝自抖动的国际难题。

即在空气中产生了指向和强度稳定的、大能量高强度、高重频(1kHz)超连续谱白光激光光源。


图 | 不同高压下,光丝(a-d)及对应前向白光(e-h)光斑的位置分布图(来源:Light: SCience & Applications)

据介绍,通过外加直流电场,可以有效地抑制光丝内等离子体复合,从而显著延长等离子体的寿命。

这样一来在相邻脉冲之间,可以明显减少空气中因等离子体复合而沉积的热量,进而降低热致气流的扰动强度。

在这种高电场环境之下,电晕放电产生的稳定离子风,也能有效克服光丝自扰动气流。

实验中,通过在 1kHz 飞秒激光空气光丝上施加高压直流电场时,高重频光丝、及其产生的前向超连续谱白光空间指向稳定性至少提高了两倍。

这不仅证实了外部直流电场在高重频光丝控制方面的重要作用, 也为高重频光丝在光谱、加工、其他伴生辐射源等应用提供了新的机遇。

总的来说,本次研究展示了直流电场对空气中激光光丝影响的前沿成果。课题组发现,随着直流电场强度的提升,激光光丝的空间抖动现象得到显著稳定。

期间,他们也深入探讨了电场对飞秒光丝的调制效应,并通过实验研究揭示了一个引人入胜的新现象。

通过此,他们不仅成功识别出一种独特的机制,并发现该机制能够显著降低成丝过程、以及脉冲传播期间由自加热效应引起的气流扰动。

而且,该团队还巧妙地构建了一个理论模型来阐释所观察到的现象,从而深刻地揭示了其背后的物理本质。

电场辅助下的高重频飞秒光丝、以及空间稳定的超连续谱辐射,预计能在多个领域发挥重要作用:

其一,可用于高精度光学测量。

通过电场辅助的飞秒光丝, 可以实现对极小时间和空间尺度的精确测量。这能为物理、化学和生物学实验中的时间分辨率测量提供了强大的工具。

其二,可用于材料加工。

电场辅助的飞秒光丝因其极高的精度和控制性,适用于精细材料加工。它可以在不破坏材料周围区域的情况下,实现更高的加工精度。

其三,可用于物质探测。

基于高重频光丝的超连续谱辐射、二次谐波、三次谐波、空气激光、THz 光源等,可被用于多相态、多物质成分的光谱分析。

外电场调控的高重频气体成丝,可以改善上述伴生辐射源的稳定性和传输效率,从而提高相关应用的灵敏度和准确性等效能。

据了解,超连续白光的原理是将超短激光脉冲射入透明介质内。由于一系列非线性效应,使得出射激光光谱得到极大展宽,从而产生的具有连续光谱分布的白光。

因其超宽的光谱以及相干特性,超连续谱白光激光已被广泛用于光学参量放大、光脉冲压缩、激光诱导结构跃迁的动态表征、大气遥感探测分析、以及白光激光雷达等方面。

能产生超连续白光的介质有很多,其中固体材料或光子晶体等较为常见。但是,由于固体介质损伤阈值的限制,无法产生大能量的超连续白光激光。

利用超快超强脉冲激光在气体介质中电离成丝,就可以突破这一局限。在气体成丝过程中,由于克尔效应自相位调制、自陡峭效应和四波混频等非线性效应机制,使得激光光谱得以显著展宽。

但是,随着高重频激光技术的发展,高重频光丝的优势也逐渐显现。

例如,利用高重频光丝实现超连续白光雷达探测,不仅具有更高的响应速度,而且能够轻松实现对于空间位置的高帧率扫描。

但是,对于高重频气体光丝来说,由于激光能量在气体中的沉积,气体分子热扩散过程中会引起气流运动,使得激光传输路径上将会出现湍流,从而造成下一激光脉冲的光束偏折。

进而导致光丝指向性变差,这会严重影响基于气体成丝产生的超连续白光的强度和空间稳定性,也对相关应用产生了不利影响。

基于此,为了探索飞秒光丝的更广泛应用,该团队启动了光场与高压电场交叉领域的研究,并进行了大量关于飞秒光丝诱导电晕放电的实验工作。

令他们惊喜的是,电场对于提高光丝引导前向白光的稳定性具有显著作用,这一现象是在实验中偶然观察到的。发现这一点后,他们迅速决定深入研究这一现象。

后来,他们首先开展了深入的文献调查,学习光场、等离子体与电场之间的相互作用。

随后,又开展了大量实验,探索如何准确地控制电场、如何观测和测量光丝和超连续谱辐射等。

随着数据的积累,他们发现了一些新规律:随着外加直流高压的增大,光丝以及前向超连续谱辐射的空间稳定性会不断提升。但是,当高压到达一定阈值时,就不再发生改变。

在这个过程中超连续辐射光谱强度也得到了提升。于是,课题组从飞秒激光空气成丝热致抖动的本源出发,建立了理论模型,解释了这一现象的物理机制。

最终,相关论文以《通过电场辅助飞秒激光在空气中成丝产生 1 kHz 稳定、强烈的超连续谱光》()为题发在 Light: SCience & Applications(IF 19.4)。

图 | 相关论文(来源:Light: SCience & Applications)

刘尧香 是第一作者,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、研究员、研究员担任共同通讯作者 [1]。


图 | 王铁军(来源:)

另据悉,当超强超快激光穿过非线性气体介质时,它会诱发强烈的非线性光学效应,比如谐波生成和参量放大等,这些效应可以被用来产生二次辐射。

值得注意的是,这些二次辐射的特性是由光丝特性决定的,而他们可以通过电场来精确调控光丝特性。

因此在下一步的研究中,他们计划利用电场与光场的相互作用,以课题组现有的研究成果为基础,进一步深入探索如何利用电场调控以高重频光丝作为二次辐射源的特性,并探索相关新现象、新机制和新应用。


参考资料:

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

运营/排版:何晨龙

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