飞秒强激光脉冲序列产生的长寿命电离通道研究进展

飞秒强激光脉冲在空气中传播时会呈现出很强的非线性自聚焦效应，自聚焦后的光强会导致空气中的分子发生场致电离，形成具有一定横向密度梯度的等离子体。当激光的自聚焦效应和等离子体的散焦效应达到动态平衡时，便会形成稳定的自引导传输，这种传输现象也被称作“成丝”。成丝的飞秒激光会在空气中产生狭长的电离通道，其长度可以延伸到公里量级。飞秒激光在大气中的成丝自从1995年被发现之后，一直受到极高的关注[A. Braun, et al., Opt. Lett. 20, 73 (1995)]，主要原因是电离通道的一些特殊性质能够衍生出许多潜在的实际应用。例如利用其导电性，有可能实现激光引导闪电或者电磁辐射[L. M. Ball, Appl. Opt. 13, 2292 (1974)；M. Chateauneuf，et al., Appl. Phys. Lett. 92, 091104 (2008)]；利用成丝过程中产生的超连续白光辐射可以实现远距离遥感、对大气污染进行监测等[J. Kasparian, et al., Science 301, 61 (2003)]; 利用电离通道内激光场与等离子体的超快相互作用可以产生宽谱THz辐射[C. C. Cheng, et al., Phys. Rev. Lett. 87, 213001 (2001)]; 飞秒激光在富含水蒸汽的空气中成丝传输时产生的大量离子会起到凝结核的作用，导致水汽凝结成小水滴，在低温环境下还会生成雪花，因此有学者提出可以利用飞秒激光来增加云层中的水滴或冰晶含量，从而增加降水量[P. Rohwetter, et al., Nat. Photonics 4, 451(2010) ; J. Ju, et al., Opt. Lett. 37, 1214 (2012)]。

电离通道的一些重要应用对其寿命有着很高的要求，例如激光引雷、远距离传导电磁辐射、激光人工增雨雪等。然而电离通道产生后，由于电子和离子复合以及中性分子对电子的吸附作用，电子密度会迅速衰减，实验测得单脉冲飞秒激光产生的电离通道的寿命只有几个纳秒。这种局面对基于通道导电性和电离作用的各种技术的实用化造成了严重制约。因此，如何延长电离通道的寿命成为十分重要的研究课题。为了维持电离通道的电子密度，必须不断地向通道中注入能量来阻止或延缓电子的复合和吸附作用。目前比较可行的办法是采用间隔很短的飞秒脉冲序列反复刷新电离通道，从而延长其寿命。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室（筹）L05组的鲁欣副研究员及其合作者在产生长寿命等离子体通道方面进行了多年坚持不懈的探索，他们于2012年首次将飞秒锁模振荡器输出的“天然”高重复频率脉冲序列展宽后，不加以选单就进行多级放大, 成功获得了由约20个mJ量级的飞秒脉冲组成的脉冲序列, 脉冲间隔为14.8 ns, 从而在有效脉冲数量上实现了较大突破[X. L. Liu, et al., Opti. Express, 20, 5968 (2012)]。随后，为了进一步改善飞秒激光脉冲序列的质量，通过研究组之间的合作，采用L07组自主研制的350MHz的飞秒振荡器替换了“极光II号”系统原有的种子源。他们对新产生的超高重频飞秒种子脉冲序列进行了多级的多通放大，并且在主放大器中采用两路泵浦脉冲先后抽运激光晶体的方法成功抑制了脉冲之间的增益竞争，最终在国际上首次获得了间隔仅2.9 ns，能量分布比较均匀的高品质飞秒脉冲序列（见图1e）。实验中将这样的飞秒脉冲序列经长焦距透镜聚焦在空气中产生了寿命60~80ns的电离通道（见图2，与单脉冲电离通道相比，寿命提高30~40倍）。该项研究工作为产生实用化的长距离空气等离子体通道开辟了一条切实可行的技术途径。另一方面，这种超高重频的飞秒强激光脉冲序列是一种新型的光源，在激光微加工，强THz辐射的产生，激光遥感等领域也具备潜在的优势。 相关研究论文已于2015年10月在期刊Scientific Reports上发表。

上述工作得到了科技部技术支撑项目，973项目，国家自然科学基金委以及中国科学院的支持。

图1. 激光系统的结构示意图和飞秒脉冲序列在不同放大阶段的光电二极管信号。（a）振荡器信号；（b）第一预放大器后；（c）第二预放大器后；（d）主放大器的两路泵浦激光同时抽运时的脉冲序列输出；（e）主放大器的两路泵浦激光轮流抽运，并对其相对延时进行优化后得到的均匀脉冲序列。

图2. 在等离子体通道的两端加载直流电压后得到的电流信号，电流持续时间反映了等离子体通道的寿命（约80ns）。