“本次成果帶來了一項革命性技術突破,即通過在空氣中引入利用電場調控飛秒激光成絲(si) 過程,產(chan) 生了穩定的高重頻、高強度的超連續光源。
對於(yu) 推動熒光顯微術、激光雷達、生物醫學成像、光學相幹斷層掃描、以及阿秒脈衝(chong) 技術的發展具有深遠影響,是領域內(nei) 的一個(ge) 重大裏程碑。”
對於(yu) 中國科學院上海光學精密機械研究所發表在 Light: SCience & Applications 的新論文,其中一位審稿人給予上述高度認可。
(來源:Light: SCience & Applications)
在這項研究之中,課題組提出了一種能同時有效提升高重頻飛秒光絲(si) 、和超連續譜(SC,Supercontinuum)白光光源指向穩定性的方法。
通過外電場調控,該團隊解決(jue) 了高重頻飛秒激光大氣成絲(si) 過程中光絲(si) 自抖動的國際難題。
即在空氣中產(chan) 生了指向和強度穩定的、大能量高強度、高重頻(1kHz)超連續譜白光激光光源。
圖 | 不同高壓下,光絲(si) (a-d)及對應前向白光(e-h)光斑的位置分布圖(來源:Light: SCience & Applications)
據介紹,通過外加直流電場,可以有效地抑製光絲(si) 內(nei) 等離子體(ti) 複合,從(cong) 而顯著延長等離子體(ti) 的壽命。
這樣一來在相鄰脈衝(chong) 之間,可以明顯減少空氣中因等離子體(ti) 複合而沉積的熱量,進而降低熱致氣流的擾動強度。
在這種高電場環境之下,電暈放電產(chan) 生的穩定離子風,也能有效克服光絲(si) 自擾動氣流。
實驗中,通過在 1kHz 飛秒激光空氣光絲(si) 上施加高壓直流電場時,高重頻光絲(si) 、及其產(chan) 生的前向超連續譜白光空間指向穩定性至少提高了兩(liang) 倍。
這不僅(jin) 證實了外部直流電場在高重頻光絲(si) 控製方麵的重要作用,也為(wei) 高重頻光絲(si) 在光譜、加工、其他伴生輻射源等應用提供了新的機遇。
總的來說,本次研究展示了直流電場對空氣中激光光絲(si) 影響的前沿成果。課題組發現,隨著直流電場強度的提升,激光光絲(si) 的空間抖動現象得到顯著穩定。
期間,他們(men) 也深入探討了電場對飛秒光絲(si) 的調製效應,並通過實驗研究揭示了一個(ge) 引人入勝的新現象。
通過此,他們(men) 不僅(jin) 成功識別出一種獨特的機製,並發現該機製能夠顯著降低成絲(si) 過程、以及脈衝(chong) 傳(chuan) 播期間由自加熱效應引起的氣流擾動。
而且,該團隊還巧妙地構建了一個(ge) 理論模型來闡釋所觀察到的現象,從(cong) 而深刻地揭示了其背後的物理本質。
電場輔助下的高重頻飛秒光絲(si) 、以及空間穩定的超連續譜輻射,預計能在多個(ge) 領域發揮重要作用:
其一,可用於(yu) 高精度光學測量。
通過電場輔助的飛秒光絲(si) ,可以實現對極小時間和空間尺度的精確測量。這能為(wei) 物理、化學和生物學實驗中的時間分辨率測量提供了強大的工具。
其二,可用於(yu) 材料加工。
電場輔助的飛秒光絲(si) 因其極高的精度和控製性,適用於(yu) 精細材料加工。它可以在不破壞材料周圍區域的情況下,實現更高的加工精度。
其三,可用於(yu) 物質探測。
基於(yu) 高重頻光絲(si) 的超連續譜輻射、二次諧波、三次諧波、空氣激光、THz 光源等,可被用於(yu) 多相態、多物質成分的光譜分析。
外電場調控的高重頻氣體(ti) 成絲(si) ,可以改善上述伴生輻射源的穩定性和傳(chuan) 輸效率,從(cong) 而提高相關(guan) 應用的靈敏度和準確性等效能。
據了解,超連續白光的原理是將超短激光脈衝(chong) 射入透明介質內(nei) 。由於(yu) 一係列非線性效應,使得出射激光光譜得到極大展寬,從(cong) 而產(chan) 生的具有連續光譜分布的白光。
因其超寬的光譜以及相幹特性,超連續譜白光激光已被廣泛用於(yu) 光學參量放大、光脈衝(chong) 壓縮、激光誘導結構躍遷的動態表征、大氣遙感探測分析、以及白光激光雷達等方麵。
能產(chan) 生超連續白光的介質有很多,其中固體(ti) 材料或光子晶體(ti) 等較為(wei) 常見。但是,由於(yu) 固體(ti) 介質損傷(shang) 閾值的限製,無法產(chan) 生大能量的超連續白光激光。
利用超快超強脈衝(chong) 激光在氣體(ti) 介質中電離成絲(si) ,就可以突破這一局限。在氣體(ti) 成絲(si) 過程中,由於(yu) 克爾效應自相位調製、自陡峭效應和四波混頻等非線性效應機製,使得激光光譜得以顯著展寬。
但是,隨著高重頻激光技術的發展,高重頻光絲(si) 的優(you) 勢也逐漸顯現。
例如,利用高重頻光絲(si) 實現超連續白光雷達探測,不僅(jin) 具有更高的響應速度,而且能夠輕鬆實現對於(yu) 空間位置的高幀率掃描。
但是,對於(yu) 高重頻氣體(ti) 光絲(si) 來說,由於(yu) 激光能量在氣體(ti) 中的沉積,氣體(ti) 分子熱擴散過程中會(hui) 引起氣流運動,使得激光傳(chuan) 輸路徑上將會(hui) 出現湍流,從(cong) 而造成下一激光脈衝(chong) 的光束偏折。
進而導致光絲(si) 指向性變差,這會(hui) 嚴(yan) 重影響基於(yu) 氣體(ti) 成絲(si) 產(chan) 生的超連續白光的強度和空間穩定性,也對相關(guan) 應用產(chan) 生了不利影響。
基於(yu) 此,為(wei) 了探索飛秒光絲(si) 的更廣泛應用,該團隊啟動了光場與(yu) 高壓電場交叉領域的研究,並進行了大量關(guan) 於(yu) 飛秒光絲(si) 誘導電暈放電的實驗工作。
令他們(men) 驚喜的是,電場對於(yu) 提高光絲(si) 引導前向白光的穩定性具有顯著作用,這一現象是在實驗中偶然觀察到的。發現這一點後,他們(men) 迅速決(jue) 定深入研究這一現象。
後來,他們(men) 首先開展了深入的文獻調查,學習(xi) 光場、等離子體(ti) 與(yu) 電場之間的相互作用。
隨後,又開展了大量實驗,探索如何準確地控製電場、如何觀測和測量光絲(si) 和超連續譜輻射等。
隨著數據的積累,他們(men) 發現了一些新規律:隨著外加直流高壓的增大,光絲(si) 以及前向超連續譜輻射的空間穩定性會(hui) 不斷提升。但是,當高壓到達一定閾值時,就不再發生改變。
在這個(ge) 過程中超連續輻射光譜強度也得到了提升。於(yu) 是,課題組從(cong) 飛秒激光空氣成絲(si) 熱致抖動的本源出發,建立了理論模型,解釋了這一現象的物理機製。
最終,相關(guan) 論文以《通過電場輔助飛秒激光在空氣中成絲(si) 產(chan) 生 1 kHz 穩定、強烈的超連續譜光》(Stable, intense supercontinuum light generation at 1 kHz by electric field assisted femtosecond laser filamentation in air)為(wei) 題發在 Light: SCience & Applications(IF 19.4)。
圖 | 相關(guan) 論文(來源:Light: SCience & Applications)
劉堯香是第一作者,中國科學院上海光學精密機械研究所王鐵軍(jun) 研究員、冷雨欣研究員、李儒新研究員擔任共同通訊作者 [1]。
圖 | 王鐵軍(jun) (來源:王鐵軍(jun) )
另據悉,當超強超快激光穿過非線性氣體(ti) 介質時,它會(hui) 誘發強烈的非線性光學效應,比如諧波生成和參量放大等,這些效應可以被用來產(chan) 生二次輻射。
值得注意的是,這些二次輻射的特性是由光絲(si) 特性決(jue) 定的,而他們(men) 可以通過電場來精確調控光絲(si) 特性。
因此在下一步的研究中,他們(men) 計劃利用電場與(yu) 光場的相互作用,以課題組現有的研究成果為(wei) 基礎,進一步深入探索如何利用電場調控以高重頻光絲(si) 作為(wei) 二次輻射源的特性,並探索相關(guan) 新現象、新機製和新應用。
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
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