近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊發(fā)現了高重頻mJ量級飛秒激光成絲大氣成絲過程中激光重復頻率越高光絲光強越高的現象，并提出了一種基于“低密度孔”的飛秒激光大氣成絲脈沖累加效應的物理圖像。相關論文發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

隨著kHz乃至百kHz重頻飛秒強激光技術的快速發(fā)展，高重頻飛秒激光大氣成絲為激光加工、穿霧通信、激光成云致雨、激光引雷等應用提供了前所未有的機遇。源于空氣分子毫秒量級的光致熱弛豫過程，高重頻飛秒強激光大氣成絲過程中的脈沖累加效應不可避免地會發(fā)生，深入理解脈沖累加效應對高重頻激光成絲過程的影響是進一步開拓激光大氣成絲新應用的關鍵。圍繞上述關鍵問題，研究團隊利用重頻高達100kHz、脈沖能量0.4mJ的飛秒激光開展了大氣成絲研究，發(fā)現重頻越高光絲越長，單脈沖熒光減弱，光絲誘導的三次諧波越強，誘導高壓放電擊穿閾值顯著降低，初步提出了高重頻通過脈沖累加效應產生了低密度的空氣通道的物理機制 [Advanced Photonics Research 4, 2200338 (2023)]。

圖1 不同脈沖能量下100Hz和1000Hz重頻飛秒激光大氣成絲光強空間演化的理論計算結果：(a) 0.1 mJ, (b) 0.2 mJ, (c) 0.7 mJ and (d) 1.2 mJ。

在本項工作中，研究人員通過數值模擬計算了單發(fā)飛秒激光脈沖的成絲過程，得到光絲等離子體密度的空間分布，根據等離子體密度計算等離子體的復合熱，結合熱傳導方程得到不同重復頻率下光絲誘導的“低密度孔”情況。通過“低密度孔”修正飛秒激光脈沖非線性傳輸數值模擬方程的相關系數，從而得到不同重頻激光脈沖的成絲結果，發(fā)現了飛秒強激光大氣成絲光強隨重頻升高而增大的現象。通過測量光絲誘導的氮氣分子和氮氣離子熒光表征光絲內部的光強，實驗上證實了理論預期，成功地解釋了不同重復頻率飛秒激光脈沖誘導大氣光絲內部光強的變化規(guī)律，為深入理解高重頻飛秒激光大氣成絲、開拓其新應用提供了可靠的科學依據。

圖2 100Hz和1000Hz重頻激光非線性傳輸平均強度隨激光脈沖能量變化（a）和激光脈沖能量為1.2mJ時,光絲內部光強隨激光重頻變化（b）的實驗結果。（c）和（d）為對應的數值模擬結果。(e) 不同重復頻率下低密度區(qū)的空氣分子密度分布情況。