飛秒強激光脈衝(chong) 在空氣中傳(chuan) 播時會(hui) 呈現出很強的非線性自聚焦效應，自聚焦後的光強會(hui) 導致空氣中的分子發生場致電離，形成具有一定橫向密度梯度的等離子體(ti) 。當激光的自聚焦效應和等離子體(ti) 的散焦效應達到動態平衡時，便會(hui) 形成穩定的自引導傳(chuan) 輸，這種傳(chuan) 輸現象也被稱作“成絲(si) ”。成絲(si) 的飛秒激光會(hui) 在空氣中產(chan) 生狹長的電離通道，其長度可以延伸到公裏量級。飛秒激光在大氣中的成絲(si) 自從(cong) 1995年被發現之後，一直受到極高的關(guan) 注[A. Braun, et al., Opt. Lett. 20, 73 (1995)]，主要原因是電離通道的一些特殊性質能夠衍生出許多潛在的實際應用。例如利用其導電性，有可能實現激光引導閃電或者電磁輻射[L. M. Ball, Appl. Opt. 13, 2292 (1974)；M. Chateauneuf，et al., Appl. Phys. Lett. 92, 091104 (2008)]；利用成絲(si) 過程中產(chan) 生的超連續白光輻射可以實現遠距離遙感、對大氣汙染進行監測等[J. Kasparian, et al., Science 301, 61 (2003)]; 利用電離通道內(nei) 激光場與(yu) 等離子體(ti) 的超快相互作用可以產(chan) 生寬譜THz輻射[C. C. Cheng, et al., Phys. Rev. Lett. 87, 213001 (2001)]; 飛秒激光在富含水蒸汽的空氣中成絲(si) 傳(chuan) 輸時產(chan) 生的大量離子會(hui) 起到凝結核的作用，導致水汽凝結成小水滴，在低溫環境下還會(hui) 生成雪花，因此有學者提出可以利用飛秒激光來增加雲(yun) 層中的水滴或冰晶含量，從(cong) 而增加降水量[P. Rohwetter, et al., Nat. Photonics 4, 451(2010) ; J. Ju, et al., Opt. Lett. 37, 1214 (2012)]。
電離通道的一些重要應用對其壽命有著很高的要求，例如激光引雷、遠距離傳(chuan) 導電磁輻射、激光人工增雨雪等。然而電離通道產(chan) 生後，由於(yu) 電子和離子複合以及中性分子對電子的吸附作用，電子密度會(hui) 迅速衰減，實驗測得單脈衝(chong) 飛秒激光產(chan) 生的電離通道的壽命隻有幾個(ge) 納秒。這種局麵對基於(yu) 通道導電性和電離作用的各種技術的實用化造成了嚴(yan) 重製約。因此，如何延長電離通道的壽命成為(wei) 十分重要的研究課題。為(wei) 了維持電離通道的電子密度，必須不斷地向通道中注入能量來阻止或延緩電子的複合和吸附作用。目前比較可行的辦法是采用間隔很短的飛秒脈衝(chong) 序列反複刷新電離通道，從(cong) 而延長其壽命。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態國家實驗室（籌）L05組的魯欣副研究員及其合作者在產(chan) 生長壽命等離子體(ti) 通道方麵進行了多年堅持不懈的探索，他們(men) 於(yu) 2012年首次將飛秒鎖模振蕩器輸出的“天然”高重複頻率脈衝(chong) 序列展寬後，不加以選單就進行多級放大, 成功獲得了由約20個(ge) mJ量級的飛秒脈衝(chong) 組成的脈衝(chong) 序列, 脈衝(chong) 間隔為(wei) 14.8 ns, 從(cong) 而在有效脈衝(chong) 數量上實現了較大突破[X. L. Liu, et al., Opti. Express, 20, 5968 (2012)]。隨後，為(wei) 了進一步改善飛秒激光脈衝(chong) 序列的質量，通過研究組之間的合作，采用L07組自主研製的350MHz的飛秒振蕩器替換了“極光II號”係統原有的種子源。他們(men) 對新產(chan) 生的超高重頻飛秒種子脈衝(chong) 序列進行了多級的多通放大，並且在主放大器中采用兩(liang) 路泵浦脈衝(chong) 先後抽運激光晶體(ti) 的方法成功抑製了脈衝(chong) 之間的增益競爭(zheng) ，最終在國際上首次獲得了間隔僅(jin) 2.9 ns，能量分布比較均勻的高品質飛秒脈衝(chong) 序列（見圖1e）。實驗中將這樣的飛秒脈衝(chong) 序列經長焦距透鏡聚焦在空氣中產(chan) 生了壽命60~80ns的電離通道（見圖2，與(yu) 單脈衝(chong) 電離通道相比，壽命提高30~40倍）。該項研究工作為(wei) 產(chan) 生實用化的長距離空氣等離子體(ti) 通道開辟了一條切實可行的技術途徑。另一方麵，這種超高重頻的飛秒強激光脈衝(chong) 序列是一種新型的光源，在激光微加工，強THz輻射的產(chan) 生，激光遙感等領域也具備潛在的優(you) 勢。 相關(guan) 研究論文已於(yu) 2015年10月在期刊Scientific Reports上發表。
上述工作得到了科技部技術支撐項目，973項目，國家自然科學基金委以及中國科學院的支持。
 

　　圖1. 激光係統的結構示意圖和飛秒脈衝(chong) 序列在不同放大階段的光電二極管信號。（a）振蕩器信號；（b）第一預放大器後；（c）第二預放大器後；（d）主放大器的兩(liang) 路泵浦激光同時抽運時的脈衝(chong) 序列輸出；（e）主放大器的兩(liang) 路泵浦激光輪流抽運，並對其相對延時進行優(you) 化後得到的均勻脈衝(chong) 序列。

　　圖2. 在等離子體(ti) 通道的兩(liang) 端加載直流電壓後得到的電流信號，電流持續時間反映了等離子體(ti) 通道的壽命（約80ns）.