圖1 (a)在激光重頻為 100 Hz 和 1000 Hz時，光絲發射熒光的光譜強度，(b)337 nm 和 (c)391 nm 處的熒光信號峰值強度隨初始脈沖能量和激光重復頻率的變化。

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在脈沖累計效應影響飛秒激光成絲熒光發射研究中取得新進展。團隊系統揭示了激光重復頻率對空氣中氮分子熒光信號的調控機制，闡明了飛秒激光成絲中脈沖累計效應引發的空氣密度變化及其對等離子體激發過程的影響。相關研究成果以“Mechanistic insights into the cumulative effect of femtosecond filamentation on nitrogen fluorescence in air”為題，發表于 Optics & Laser Technology。

飛秒激光在空氣中傳播時會形成高強度的等離子體光絲，其伴隨的熒光信號為探測大氣成分和診斷非線性過程提供了重要手段。然而，當激光以高重復頻率工作時，前一脈沖產生的局域加熱與空氣密度的局部降低會顯著改變后續脈沖的傳播環境，從而影響光絲的熒光發射。針對這一關鍵科學問題，研究團隊通過實驗測量與數值模擬相結合的方法，定量分析了不同重復頻率下空氣中氮分子第一負帶(N??)與第二正帶(N?)的熒光變化規律。結果表明，隨著重復頻率升高，空氣密度降低使得后續脈沖在低密度介質中以更高強度傳播，導致電離增強與電子動能升高，從而顯著提升了兩類熒光的發射強度。

研究進一步揭示，高重復頻率下的熒光增強主要源于兩種機制：其一是光絲峰值強度的提升使氮分子電離效率增加，增強了N??的第一負帶熒光;其二是高動能電子碰撞激發過程的增強，促進了中性氮分子的第二正帶熒光。數值模擬結果與實驗結果高度一致，系統闡明了脈沖累計效應在光絲非線性演化中的作用，為高重復頻率飛秒激光在大氣遙感、等離子體光譜及超快診斷中的應用提供了新的理論依據。

相關研究得到電磁環境效應與光電工程國家級重點實驗室、國家自然科學基金、上海市科技計劃等資助。

審核編輯 黃宇