近日，中科院上海光機(jī)所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出空氣激光的級聯(lián)放大方案，產(chǎn)生了目前公開報(bào)道輸出能量最高的空氣激光，并進(jìn)一步發(fā)展了一種高靈敏、單光束相干拉曼光譜技術(shù)，展示了其在多組分氣體靈敏探測方面的優(yōu)勢。相關(guān)成果以“Cascaded amplification of air lasing”為題發(fā)表于Science Advances。

超快強(qiáng)光場驅(qū)動(dòng)的空氣激光不僅蘊(yùn)含豐富而新穎的物理機(jī)制，而且為大氣遙感、燃燒診斷等領(lǐng)域提供了極具潛力的探測工具。然而，空氣激光的輸出能量通常局限在納焦量級甚至更低的水平，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了攻克這一瓶頸，多個(gè)國際頂尖研究團(tuán)隊(duì)相繼開展研究。維也納工業(yè)大學(xué)、美國空軍實(shí)驗(yàn)室和亞利桑那大學(xué)組成的國際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，依托美國勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的10焦耳皮秒激光裝置，產(chǎn)生了2.5 μJ的氮分子激光，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)大氣環(huán)境中獲得的最強(qiáng)空氣激光紀(jì)錄。法國巴黎綜合理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用百毫焦、太瓦級激光系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了2.6 μJ的氮?dú)怆x子激光輸出。雖然這些研究均獲得了微焦量級的空氣激光，卻依賴大能量激光裝置。因此，如何利用毫焦耳級商用飛秒激光器產(chǎn)生更高能量的空氣激光，是空氣激光走向?qū)嶋H應(yīng)用必須攻克的核心問題。

在該論文中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種級聯(lián)放大方案，將一束800 nm、5.7 mJ、40 fs的激光脈沖經(jīng)凹面鏡在氮?dú)庵卸啻尉劢梗瑢?shí)現(xiàn)了單脈沖能量高達(dá)4.4 μJ的氮?dú)怆x子空氣激光輸出（圖1），刷新了目前公開報(bào)道最強(qiáng)的空氣激光紀(jì)錄。相應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率為7.7×10-4，比勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的大能量激光系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣激光的轉(zhuǎn)換效率提高了3個(gè)數(shù)量級以上。該方案克服了單次聚焦過程中泵浦光強(qiáng)與增益長度難以同時(shí)優(yōu)化的矛盾，能夠最大化利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在固定泵浦能量下實(shí)現(xiàn)最高能量的空氣激光輸出。該方案還將空氣激光的泵浦能量閾值從3.3 mJ降低到了0.9 mJ，為利用摻鐿固體超快激光器甚至光纖激光器產(chǎn)生高重頻、高通量、小型化空氣激光光源提供了可能，這將極大拓展空氣激光的應(yīng)用場景。

該級聯(lián)放大方案不僅有力提升了空氣激光能量，顯著降低了其泵浦閾值，而且極大拓展了泵浦光的頻譜范圍，并有效壓縮了空氣激光的脈寬，為構(gòu)建單光束相干拉曼光譜儀提供了天然時(shí)空鎖定的飛秒/皮秒雙色光源。因此，基于四次聚焦產(chǎn)生的泵浦光和空氣激光，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了一種高靈敏的單光束相干拉曼光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了SF6、CO2、O2以及光絲中產(chǎn)生的O3等多種分子的同時(shí)探測，SF6氣體的最小探測濃度達(dá)到30 ppm的水平（圖2）。

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圖1. （A）空氣激光的級聯(lián)放大方案示意圖；（B）不同聚焦次數(shù)下獲得的空氣激光能量隨氣壓的變化；（C）單次和四次聚焦情況下，在40 mbar氮?dú)庵蝎@得的空氣激光能量隨泵浦能量的變化。

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圖2. 基于級聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)在多組分、高靈敏氣體檢測中的應(yīng)用展示。（A）實(shí)現(xiàn)多種分子同時(shí)探測；（B）實(shí)現(xiàn)濃度為30 ppm的SF6氣體的檢測。

該研究利用級聯(lián)放大方案，突破了空氣激光輸出能量、轉(zhuǎn)換效率與泵浦閾值的多重限制，并同步實(shí)現(xiàn)了泵浦激光的光譜展寬與空氣激光的脈沖壓縮。基于級聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)展示出ppm級的高靈敏探測能力和卓越的多組分檢測優(yōu)勢，為大氣污染溯源和極端環(huán)境燃燒診斷提供了全新的技術(shù)手段。

相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady7458