上海光机所实现飞秒光丝单次曝光三维成像

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队基于法布里-珀罗（F-P）腔原理，实现了单次曝光条件下飞秒激光空气传输成丝的三维成像，为超短脉冲结构光场非线性传输及光丝诱导伴生辐射等时空演化过程分析提供了新方案。相关论文发表在《光学快讯》（Optics Express）。

飞秒激光成丝作为超短脉冲强激光在透明介质中传输时所特有的非线性光学现象，在超短脉冲压缩、紫外到太赫兹频段相干辐射源产生、微纳加工、遥感探测、影响天气等领域具有重要应用。单个激光脉冲强度的径向分布及其沿光丝纵向的时空演化作为光丝的重要参数，直接影响光丝相关应用。但是，光丝内部高光强易损伤常规探测材料和器件，难以实现直接测量。光学成像法可以避免材料器件损伤，传统面到面成像可获得光丝截面强度分布。现有方法均无法实现单脉冲非线性传输成丝过程的时空演化测量。

研究人员利用光束在F-P腔中多次反射和折射的特性，通过CCD相机在单次曝光模式下成功记录了飞秒激光空气中非线性传输成丝的多个横截面强度空间分布图像，演示了F-P腔辅助激光单脉冲非线性传输成丝的三维成像过程。通过调整F-P腔的间距和入射角可以调整三维图像沿光丝纵向的分辨率。基于F-P腔成像法测得的光强沿光丝纵向演化规律与传统光丝侧向荧光光强演化一致，验证了方法的可靠性。应用F-P腔辅助三维成像方法，成功观察到了激光传输由线性到非线性的转变过程。该方法原则上适用于记录其他波长激光特别是结构光场非线性传输及其伴生辐射的单脉冲三维时空演化过程，有助于深入理解飞秒激光非线性传输成丝，推动相关应用的发展。

(a)为F-P腔间距为1mm，入射角为15°的CCD记录单脉冲激光空气成丝的原始图像；(b)-(f)为光丝不同位置处的截面强度分布；(g)-(k)为相应的三维强度分布图；(l)为光丝非线性传输过程的三维重建。

该项研究得到国家自然科学基金、中科院国际合作重点项目、上海市科学技术项目等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1364/OE.482082