上海光机所在空气中产生稳定大能量白光激光方面获重要进展

近期，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室研究团队，针对高重频飞秒激光气体成丝自抖动的瓶颈问题，提出了一种显著提升高重频飞秒光丝及超连续谱（SC）白光光源指向稳定性的方法，有效抑制了空气光丝诱导产生超连续谱白光激光的强度和光束指向抖动。该结果以“Stable, intense supercontinuum light generation at 1kHz by electric field assisted femtosecond laser filamentation in air”为题，发表于Light: Science & Applications上。

覆盖可见光波段的超连续谱激光因其超宽的光谱宽度以及良好相干性，被称为“白光激光”。它被广泛应用于生物医学成像、分子指纹光谱、光学相干断层扫描、可调超快脉冲生成、飞秒脉冲压缩等领域。白光激光通常是通过固体材料或光子晶体光纤、中空光纤等产生。短脉冲激光气体成丝提供了免材料损伤的白光激光产生途径，但是脉冲累加引起的指向抖动限制了高重频下的应用。受限于固体材料的损伤阈值或被气体中自抖动问题影响，目前很难得到稳定传输的大能量高重频白光激光光源，也是超连续谱光源产生及其应用领域内的亟需解决的国际难题。

在这项研究中，研究人员利用高重频飞秒激光在空气中成丝产生大能量超连续白光光源，创新性地在光丝上加载外部高压直流电场，从根源上解决了光丝的热致抖动问题，其原理为通过外加电场抑制等离子体复合并使其寿命延长，从而在下一激光脉冲到来之际减少因等离子体复合造成的热量沉积，从而成功降低了由热扩散造成的气流扰度强度。此外，光丝诱导电晕放电产生的稳定离子风也可有效克服光丝自扰动气流，实验结果表明在外电场作用下高重频（1kHz）光丝及前向超连续白光的空间指向稳定性可提升至少2倍，与此同时，白光激光光谱强度的稳定性也得到显著提升，研究人员利用1 kHz/6.54 mJ飞秒激光脉冲在空气中成丝，成功得到了3.55 mJ稳定的超连续谱白光光源。该工作有效解决了目前高重频飞秒激光气体成丝的指向和强度抖动的国际难题，不仅为空气中产生高重频稳定大能量超连续白光光源开辟了道路，也为基于高重频光丝的二次辐射源、成像和材料微加工等其他应用拓展了新机遇。

图1.（a）（b）实验装置示意图。（c）（d）未加载与加载直流高压电场时光丝及光丝诱导电晕的真彩图像。（e）（f）对应的前向光斑。

图2.(a) 1 kHz时前向超连续谱白光激光和光丝指向角的标准差（SDEV）与外加高压的函数关系。（b）不同激光重复率下，前向SC光（b）和光丝（c）散射角SDEV。(d)施加在光丝上的有效电场随加载高压的变化关系。

图3.(a)有（FIL+55 kV）和无（FIL）外直流高压时前向超连续谱白光光谱对比，未成丝（noFIL）初始激光光谱作为参考。(b)不同外加高压下，超连续光谱强度的信噪比（1 kHz）。(c)超连续谱白光激光能量与泵浦激光能量的函数关系（聚焦透镜焦距为1m）。

该工作得到了国家自然科学基金联合基金项目、中科院国际合作重点项目、上海市科技项目等支持。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01364-3