圖1. 不同重復頻率下三次諧波(TH)光束指向分布云圖。(a)50Hz, (b)100Hz, (c)500Hz, (d)1 kHz。三次諧波光束指向偏差距離(e)及強度抖動(f)隨成絲重復頻率的變化曲線。紅色點表示未成絲時泵浦激光的指向分布。

近期，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室團隊研究發現高重頻飛秒激光空氣成絲誘導的三次諧波存在顯著的自抖動，針對這一瓶頸問題，提出了一種基于外加直流電場的解決方案，顯著降低了三次諧波的光束指向和強度抖動，為產生穩定、大能量高重復頻率紫外和極紫外激光源提供了思路。相關研究成果以Improving the beam pointing and intensity stability of the third harmonic generated in air filament為題發表于Optics & Laser Technology。

紫外和極紫外激光在高分辨率成像、材料加工和先進光譜學等領域有著廣泛應用。諧波是獲取這些短波長激光的重要手段之一。傳統基于非線性晶體的諧波產生方式，受晶體紫外透光截止波長、損傷閾值等限制，較難獲得大能量紫外光源。基于激光氣體成絲誘導的三次諧波可以突破上述局限。

在該工作中，團隊研究了飛秒激光空氣成絲誘導三次諧波的穩定性問題，發現高重復頻率條件下，激光成絲產生的三次諧波光束抖動顯著增強(圖1)，嚴重影響了三次諧波的穩定性，成為制約其應用的技術瓶頸。為了解決這一難題，研究團隊創新性地引入了外部直流電場，成功抑制了三次諧波光束的指向和強度抖動。實驗結果顯示，在1 kHz重復頻率下，光束指向抖動降低了約50%，強度抖動也得到有效抑制(圖2)。這是由于外部電場能夠抑制等離子體復合效應，減少脈沖之間因等離子體復合造成的熱量沉積，從而降低了由熱擴散造成的氣流擾度強度。流體動力學數值模擬結果進一步證實了外加直流電場對激光絲等離子體通道穩定性的提升，進而提高了三次諧波的穩定性。該研究不僅為開發高重復頻率、高穩定性的大能量紫外和極紫外激光源奠定了基礎，也為其在成像、精密加工等領域應用開辟了新的機遇。

圖2. (a)未施加和施加電場后基于1kHz光絲產生的TH光束指向分布云圖。(b)1kHz TH光束指向偏差距離與施加在光絲上電壓的關系。(c)1kHz TH的強度抖動與施加在光絲上電壓的關系。

該工作得到了國家自然科學基金聯合基金項目、上海市科技項目、中國科學院國際合作重點項目等項目的支持。

審核編輯 黃宇