上海光機(jī)所提出空氣激光級(jí)聯(lián)放大方案并實(shí)現(xiàn)高靈敏氣體探測(cè)

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(jí)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(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)成果以“Cascaded amplification of air lasing”為題發(fā)表于Science Advances。 \L Q+ n+  
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超快強(qiáng)光場(chǎng)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(cè)工具。然而，空氣激光的輸出能量通常局限在納焦量級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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。 V^_
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在該論文中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種級(jí)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(jí)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(chǎng)景。 94tfR$W;-  
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該級(jí)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(cè)，SF6氣體的最小探測(cè)濃度達(dá)到30 ppm的水平（圖2）。 2) X#&IE