基于多焦距光束延长激光成丝长度的研究获进展

飞秒激光脉冲在透明介质中的成丝现象是近年来强场激光物理领域的一个研究热点，在高次谐波、强场电离、太赫兹产生以及远程遥感等众多研究领域具有潜在的应用价值。飞秒激光脉冲在介质中传输时，能够引起介质的非线性效应，从而引发激光光束在介质中的自聚焦效应；当脉冲的峰值强度增大到一定程度时，能够引发介质的电离，产生的等离子体通道对激光光束产生散焦效应。这种自聚焦效应与散焦效应的动态平衡，导致了激光光束在介质中保持长距离的高强度传输。为了获得更长的激光光丝，不同的手段被用于实现激光成丝长度的延长。通常情况下，光丝的长度是与输入脉冲的能量直接相关的。利用单脉冲能量大于5mJ的激光输入，光丝已经被延长到了超过2米的长度。然而，利用能量有限的飞秒激光脉冲延长成丝长度的手段依然十分有限。

武汉光电国家实验室陆培祥教授领导的超快激光研究团队针对脉冲能量有限情况下的成丝问题，提出了一种能够有效增加光丝长度的方案。在本方案中，初始的准直激光光束被输入到一台空间相位调制器中，通过对其空间振幅和相位的调制，准直光束被转换成了多焦距光束。利用这种调制手段，激光光束的传输特性受到了严格的控制，在多个不同的距离上实现了聚焦。脉冲能量有效地分布在了光丝的不同位置，从而实现了等离子体通道的延长。仿真计算表明，仅仅利用2mJ能量的脉冲，多焦距光束产生的光丝相比起常见的单焦距方案被增长了一倍，达到了接近1米的长度。通过调节空间相位调制器，可以很简便地改变光丝的长度和距离。与此同时，增长的等离子体通道还会导致自相位调制效应的积累，获取带宽更大的超连续谱输出。这一研究成果为超快光学、强场物理的研究提供了有效的工具。

2016年2月22日，研究成果“基于多焦距光束延长飞秒激光成丝长度的研究”（Extending plasma channel of filamentation with a multi-focal-length beam）发表在Optics Express24， 4， 4029-4041 (2016)上。

图(a)多焦距光束的峰值强度　(b)等离子体浓度及光通量　(c)在传输过程中的变化情况