上光所在高重频飞秒激光大气成丝方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队发现了高重频mJ量级飞秒激光成丝大气成丝过程中激光重复频率越高光丝光强越高的现象，并提出了一种基于“低密度孔”的飞秒激光大气成丝脉冲累加效应的物理图像。相关论文发表于High Power Laser Science and Engineering。

 

随着kHz乃至百kHz重频飞秒强激光技术的快速发展，高重频飞秒激光大气成丝为激光加工、穿雾通信、激光成云致雨、激光引雷等应用提供了前所未有的机遇。源于空气分子毫秒量级的光致热弛豫过程，高重频飞秒强激光大气成丝过程中的脉冲累加效应不可避免地会发生，深入理解脉冲累加效应对高重频激光成丝过程的影响是进一步开拓激光大气成丝新应用的关键。围绕上述关键问题，研究团队利用重频高达100kHz、脉冲能量0.4mJ的飞秒激光开展了大气成丝研究，发现重频越高光丝越长，单脉冲荧光减弱，光丝诱导的三次谐波越强，诱导高压放电击穿阈值显著降低，初步提出了高重频通过脉冲累加效应产生了低密度的空气通道的物理机制 [Advanced Photonics Research 4, 2200338 (2023)]。

图1 不同脉冲能量下100Hz和1000Hz重频飞秒激光大气成丝光强空间演化的理论计算结果：(a) 0.1 mJ, (b) 0.2 mJ, (c) 0.7 mJ and (d) 1.2 mJ。

在本项工作中，研究人员通过数值模拟计算了单发飞秒激光脉冲的成丝过程，得到光丝等离子体密度的空间分布，根据等离子体密度计算等离子体的复合热，结合热传导方程得到不同重复频率下光丝诱导的“低密度孔”情况。通过“低密度孔”修正飞秒激光脉冲非线性传输数值模拟方程的相关系数，从而得到不同重频激光脉冲的成丝结果，发现了飞秒强激光大气成丝光强随重频升高而增大的现象。通过测量光丝诱导的氮气分子和氮气离子荧光表征光丝内部的光强，实验上证实了理论预期，成功地解释了不同重复频率飞秒激光脉冲诱导大气光丝内部光强的变化规律，为深入理解高重频飞秒激光大气成丝、开拓其新应用提供了可靠的科学依据。

图2 100Hz和1000Hz重频激光非线性传输平均强度随激光脉冲能量变化（a）和激光脉冲能量为1.2mJ时,光丝内部光强随激光重频变化（b）的实验结果。（c）和（d）为对应的数值模拟结果。(e) 不同重复频率下低密度区的空气分子密度分布情况。