——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出空氣激光的級(jí)聯(lián)放大方案，產(chǎn)生了目前公開(kāi)報(bào)道輸出能量最高的空氣激光，并進(jìn)一步發(fā)展了一種高靈敏、單光束相干拉曼光譜技術(shù)，展示了其在多組分氣體靈敏探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)成果以“Cascaded amplification of air?lasing”為題發(fā)表于Science Advances。
超快強(qiáng)光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的空氣激光不僅蘊(yùn)含豐富而新穎的物理機(jī)制，而且為大氣遙感、燃燒診斷等領(lǐng)域提供了極具潛力的探測(cè)工具。然而，空氣激光的輸出能量通常局限在納焦量級(jí)甚至更低的水平，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了攻克這一瓶頸，多個(gè)國(guó)際頂尖研究團(tuán)隊(duì)相繼開(kāi)展研究。維也納工業(yè)大學(xué)、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和亞利桑那大學(xué)組成的國(guó)際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，依托美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的10焦耳皮秒激光裝置，產(chǎn)生了2.5 μJ的氮分子激光，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)大氣環(huán)境中獲得的最強(qiáng)空氣激光紀(jì)錄。法國(guó)巴黎綜合理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用百毫焦、太瓦級(jí)激光系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了2.6 μJ的氮?dú)怆x子激光輸出。雖然這些研究均獲得了微焦量級(jí)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(jí)商用飛秒激光器產(chǎn)生更高能量的空氣激光，是空氣激光走向?qū)嶋H應(yīng)用必須攻克的核心問(wèn)題。
在該論文中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種級(jí)聯(lián)放大方案，將一束800 nm、5.7 mJ、40 fs的激光脈沖經(jīng)凹面鏡在氮?dú)庵卸啻尉劢梗瑢?shí)現(xiàn)了單脈沖能量高達(dá)4.4 μJ的氮?dú)怆x子空氣激光輸出（圖1），刷新了目前公開(kāi)報(bào)道最強(qiáng)的空氣激光紀(jì)錄。相應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率為7.7×10-4，比勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的大能量激光系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣激光的轉(zhuǎn)換效率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該方案克服了單次聚焦過(guò)程中泵浦光強(qiáng)與增益長(zhǎng)度難以同時(shí)優(yōu)化的矛盾，能夠最大化利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在固定泵浦能量下實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)用場(chǎng)景。
該級(jí)聯(lián)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(gòu)建單光束相干拉曼光譜儀提供了天然時(shí)空鎖定的飛秒/皮秒雙色光源。因此，基于四次聚焦產(chǎn)生的泵浦光和空氣激光，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了一種高靈敏的單光束相干拉曼光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了SF6、CO2、O2以及光絲中產(chǎn)生的O3等多種分子的同時(shí)探測(cè)，SF6氣體的最小探測(cè)濃度達(dá)到30 ppm的水平（圖2）。
該研究利用級(jí)聯(lián)放大方案，突破了空氣激光輸出能量、轉(zhuǎn)換效率與泵浦閾值的多重限制，并同步實(shí)現(xiàn)了泵浦激光的光譜展寬與空氣激光的脈沖壓縮。基于級(jí)聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)展示出ppm級(jí)的高靈敏探測(cè)能力和卓越的多組分檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，為大氣污染溯源和極端環(huán)境燃燒診斷提供了全新的技術(shù)手段。
相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。
圖1. （A）空氣激光的級(jí)聯(lián)放大方案示意圖；（B）不同聚焦次數(shù)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?dú)庵蝎@得的空氣激光能量隨泵浦能量的變化。
圖2. 基于級(jí)聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)在多組分、高靈敏氣體檢測(cè)中的應(yīng)用展示。（A）實(shí)現(xiàn)多種分子同時(shí)探測(cè)；（B）實(shí)現(xiàn)濃度為30 ppm的SF6氣體的檢測(cè)。
