上海光機所提出空氣激光級聯放大方案并實現高靈敏氣體探測

圖1. (A)空氣激光的級聯放大方案示意圖;(B)不同聚焦次數下獲得的空氣激光能量隨氣壓的變化;(C)單次和四次聚焦情況下，在40 mbar氮氣中獲得的空氣激光能量隨泵浦能量的變化。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊提出空氣激光的級聯放大方案，產生了目前公開報道輸出能量最高的空氣激光，并進一步發展了一種高靈敏、單光束相干拉曼光譜技術，展示了其在多組分氣體靈敏探測方面的優勢。相關成果以“Cascaded amplification of air lasing”為題發表于Science Advances。

超快強光場驅動的空氣激光不僅蘊含豐富而新穎的物理機制，而且為大氣遙感、燃燒診斷等領域提供了極具潛力的探測工具。然而，空氣激光的輸出能量通常局限在納焦量級甚至更低的水平，極大地限制了其實際應用。為了攻克這一瓶頸，多個國際頂尖研究團隊相繼開展研究。維也納科技大學、美國空軍實驗室和亞利桑那大學組成的國際聯合研究團隊，依托美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的10焦耳皮秒激光裝置，產生了2.5 μJ的氮分子激光，創下了當時大氣環境中獲得的最強空氣激光紀錄。法國巴黎綜合理工大學研究團隊利用百毫焦、太瓦級激光系統，成功實現了2.6 μJ的氮氣離子激光輸出。雖然這些研究均獲得了微焦量級的空氣激光，卻依賴大能量激光裝置。因此，如何利用毫焦耳級商用飛秒激光器產生更高能量的空氣激光，是空氣激光走向實際應用必須攻克的核心問題。

在該論文中，研究團隊提出了一種級聯放大方案，將一束800 nm、5.7 mJ、40 fs的激光脈沖經凹面鏡在氮氣中多次聚焦，實現了單脈沖能量高達4.4 μJ的氮氣離子空氣激光輸出(圖1)，刷新了目前公開報道最強的空氣激光紀錄。相應的轉化效率為7.7×10-4，比勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的大能量激光系統產生的空氣激光的轉換效率提高了3個數量級以上。該方案克服了單次聚焦過程中泵浦光強與增益長度難以同時優化的矛盾，能夠最大化利用粒子數反轉，在固定泵浦能量下實現最高能量的空氣激光輸出。該方案還將空氣激光的泵浦能量閾值從3.3 mJ降低到了0.9 mJ，為利用摻鐿固體超快激光器甚至光纖激光器產生高重頻、高通量、小型化空氣激光光源提供了可能，這將極大拓展空氣激光的應用場景。

該級聯放大方案不僅有力提升了空氣激光能量，顯著降低了其泵浦閾值，而且極大拓展了泵浦光的頻譜范圍，并有效壓縮了空氣激光的脈寬，為構建單光束相干拉曼光譜儀提供了天然時空鎖定的飛秒/皮秒雙色光源。因此，基于四次聚焦產生的泵浦光和空氣激光，該團隊還發展了一種高靈敏的單光束相干拉曼光譜技術，實現了SF6、CO2、O2以及光絲中產生的O3等多種分子的同時探測，SF6氣體的最小探測濃度達到30 ppm的水平(圖2)。

圖2. 基于級聯放大方案發展的單光束相干拉曼光譜技術在多組分、高靈敏氣體檢測中的應用展示。(A)實現多種分子同時探測;(B)實現濃度為30 ppm的SF6氣體的檢測。

該研究利用級聯放大方案，突破了空氣激光輸出能量、轉換效率與泵浦閾值的多重限制，并同步實現了泵浦激光的光譜展寬與空氣激光的脈沖壓縮。基于級聯放大方案發展的單光束相干拉曼光譜技術展示出ppm級的高靈敏探測能力和卓越的多組分檢測優勢，為大氣污染溯源和極端環境燃燒診斷提供了全新的技術手段。

相關研究得到了國家自然科學基金委和中國科學院相關項目的支持。

審核編輯 黃宇