近期，中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室与国防科技大学理学院、上海理工大学光电学院等单位合作，发现强场中多光子共振与隧穿电离协同作用诱导的离子高效光激发新机制。相关成果以“Multiphoton Resonance Meets Tunneling Ionization: High-Efficient Photoexcitation in Strong-Field-Dressed Ions”为题发表于Physical Review Letters。
光电离和光激发是光与物质相互作用的两个基本过程。大多数情况下，这两个过程独立存在于不同的原子分子体系和不同激光参数区间。近年来，氮气离子空气激光的发现及其机理的广泛争议，促使研究人员重新思考光电离和光激发这两个基本过程及其关联行为。氮气离子激光的产生同时包含分子隧穿电离、离子共振激发、核波包运动等诸多过程，其机理研究不仅为揭示光电离与光激发的协同作用提供了契机，而且促进了强场物理与量子光学的交叉，近一步孕育了强场量子光学新前沿。
团队研究了氮气离子激光强度对于泵浦激光波长的依赖。结果表明，种子光在很宽的泵浦波段都能被有效放大而产生氮气离子激光，且在1000 nm附近出现显著增强，如图1（a）所示。在最优泵浦波长下，氮气离子激光的产生阈值降低至120 mJ，仅为通常采用的800 nm泵浦的1/5。在理论研究角度，利用强场电离-耦合模型，计算了氮气离子激光上下能态的粒子数差随泵浦激光光强和波长的变化，重现了实验结果，如图1（b）所示。
图1（a）不同泵浦光强下种子放大倍数随泵浦波长的变化;（b）理论计算的氮气离子激光上下能态的粒子数差随泵浦波长和光强的变化。
理论分析表明，在最优泵浦波长时，氮分子隧穿电离和离子的三光子共振在强激光场中共存，两者协同作用导致离子激发态布居比它们分别作用时提高了约一个数量级。通过分析离子偶极矩与驱动光场的相位关系，揭示了其背后的物理机制，解释了实验上观测的氮气离子激光的最优泵浦波长。如图2所示，在隧穿电离与多光子共振协同作用下，不同时刻产生的离子偶极矩能够实现相位锁定，建立最大的相干性，而且与驱动光场保持最佳相位关系，促使离子从基态持续不断地抽运到激发态。同时，电离对光场强度的高度非线性依赖，将离子光激发过程主要限定在强度最高、变化最缓慢的光场包络中心，进一步提升了离子激发效率和粒子数反转浓度。
图2.隧穿电离与三光子共振协同作用导致的离子高效光激发的物理机制。
本研究揭示了一种新颖、高效的离子光激发机制，突出了强场制备的离子体系的独特性，并且该机制普遍适用于强场电离诱导的离子系统。由于泵浦阈值的降低，该工作为提高空气激光强度并进一步拓展其应用提供了思路，也为将来基于光纤激光器产生空气激光提供了可能。
相关工作得到国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委等项目的支持。
相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.113201