近日，精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳健教授團(tuán)隊(duì)在空氣激光的結(jié)構(gòu)化研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Generation of vortex N2+ lasing”為題，于2023年 5月31日發(fā)表在光學(xué)頂級(jí)期刊Optica。論文以華東師范大學(xué)為第一完成單位，吳健教授為通訊作者，新葡的京集團(tuán)3512vip2020級(jí)本科生胡悅為論文第一作者。

該團(tuán)隊(duì)利用攜帶軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM）的近紅外飛秒激光脈沖泵浦氮?dú)夥肿樱状螌?shí)現(xiàn)了渦旋氮?dú)怆x子激光的產(chǎn)生，為可切換波長(zhǎng)高亮度遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)光場(chǎng)產(chǎn)生提供了一種新方案。

Optica在線刊發(fā)吳健教授團(tuán)隊(duì)研究成果

傳統(tǒng)的光場(chǎng)調(diào)控通常局限于某個(gè)特定的自由度，如偏振、頻率等。然而，通過(guò)在時(shí)間與空間上協(xié)同調(diào)整光的多個(gè)自由度，可獲得各種新奇復(fù)雜的結(jié)構(gòu)光。按需“定制”的結(jié)構(gòu)光在跨學(xué)科領(lǐng)域展現(xiàn)了強(qiáng)大應(yīng)用潛力：如，“甜甜圈”形狀的空心光束是實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的受激發(fā)射損耗顯微鏡（STED）的關(guān)鍵點(diǎn)（2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），矢量渦旋光束利用其特有的復(fù)用能力與神奇的波前自愈特性實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大容量通信等等。盡管如此，在更快的時(shí)間尺度、更大的空間范圍操控光場(chǎng)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)（如在飛秒的超快時(shí)間尺度、在野外超大空間范圍）。

得益激光成絲的長(zhǎng)傳播距離和光與物質(zhì)相互作用的即時(shí)響應(yīng)，飛秒強(qiáng)激光脈沖誘導(dǎo)的各種非線性光學(xué)過(guò)程能夠?yàn)檫h(yuǎn)程超快結(jié)構(gòu)光提供工具包：我們可以在光源處“定制”，即對(duì)泵浦光進(jìn)行整形，再通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)，將泵浦光中構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所需頻率的新生信號(hào)光。這種從泵浦光到信號(hào)光的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移已在廣泛的非線性光學(xué)過(guò)程中被觀察到：如四波混頻、受激拉曼散射和高次諧波產(chǎn)生等。令人遺憾的是，這些過(guò)程僅能在某些特定介質(zhì)（如堿蒸汽、稀有氣體）中發(fā)生，這給控制自由空間中的結(jié)構(gòu)光帶來(lái)了困難。

作為一種出現(xiàn)在尋常大氣中的新型無(wú)諧振腔式激光，空氣激光引起了人們的興趣。它以無(wú)處不在的空氣作為增益介質(zhì)，利用強(qiáng)激光超短脈沖的遠(yuǎn)程激發(fā)作用，可在大氣中任意位置隨時(shí)產(chǎn)生高亮度激光。其中，氮?dú)怆x子激光由于其高亮度及豐富可調(diào)諧的波長(zhǎng)備受關(guān)注。這得益于空氣中氮?dú)夥肿拥母吆颗c氮?dú)夥肿拥膹?fù)雜振轉(zhuǎn)能級(jí)結(jié)構(gòu)。這為構(gòu)造一種波長(zhǎng)可調(diào)、性質(zhì)優(yōu)異的自由空間遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)光源提供了可能。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

吳健教授團(tuán)隊(duì)從最經(jīng)典的一種結(jié)構(gòu)光——光學(xué)渦旋出發(fā)，利用攜帶軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM）的近紅外飛秒激光脈沖電離與泵浦氮?dú)夥肿樱状斡^察到了軌道角動(dòng)量與渦旋結(jié)構(gòu)從泵浦光到新生激光信號(hào)的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了渦旋氮?dú)怆x子激光的產(chǎn)生。

產(chǎn)生的渦旋氮?dú)怆x子激光

更令人驚喜的是，在高泵浦脈沖能量下，相比于高斯光束作為泵浦光的情況，渦旋泵浦可以達(dá)到更高的氮?dú)怆x子激光產(chǎn)生效率：泵浦光的渦旋結(jié)構(gòu)降低了光絲的軸上等離子體密度，減少了等離子體對(duì)激光脈沖的散焦作用，打破了固有的光強(qiáng)鉗制效應(yīng)。這得益于渦旋泵浦光誘導(dǎo)的飛秒光絲在高泵浦脈沖能量下表現(xiàn)出空間尺度更長(zhǎng)，能量分布更均勻的特性。氮?dú)怆x子激光強(qiáng)度較低一直是阻礙其進(jìn)入廣泛應(yīng)用的問(wèn)題，這一發(fā)現(xiàn)為氮?dú)怆x子激光的放大提供了一種巧妙的方案：通過(guò)對(duì)泵浦光進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，來(lái)改變飛秒光絲的空間分布，最終優(yōu)化出最適宜氮?dú)怆x子激光產(chǎn)生的條件。

高泵浦能量下更長(zhǎng)更均勻的飛秒光絲

工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持與資助。

美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)是光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威的國(guó)際性學(xué)術(shù)組織，其中Optica作為美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)同名旗艦期刊，屬于光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊，即時(shí)影響因子10.644。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.489206

圖文：吳健教授課題組

編輯：李丹

審定：武海斌、蔣旭