近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了高重頻mJ量級(jí)飛秒激光成絲大氣成絲過(guò)程中激光重復(fù)頻率越高光絲光強(qiáng)越高的現(xiàn)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(yīng)的物理圖像。相關(guān)論文發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

隨著kHz乃至百kHz重頻飛秒強(qiáng)激光技術(shù)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(yīng)用提供了前所未有的機(jī)遇。源于空氣分子毫秒量級(jí)的光致熱弛豫過(guò)程，高重頻飛秒強(qiáng)激光大氣成絲過(guò)程中的脈沖累加效應(yīng)不可避免地會(huì)發(fā)生，深入理解脈沖累加效應(yīng)對(duì)高重頻激光成絲過(guò)程的影響是進(jìn)一步開(kāi)拓激光大氣成絲新應(yīng)用的關(guān)鍵。圍繞上述關(guān)鍵問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用重頻高達(dá)100kHz、脈沖能量0.4mJ的飛秒激光開(kāi)展了大氣成絲研究，發(fā)現(xiàn)重頻越高光絲越長(zhǎng)，單脈沖熒光減弱，光絲誘導(dǎo)的三次諧波越強(qiáng)，誘導(dǎo)高壓放電擊穿閾值顯著降低，初步提出了高重頻通過(guò)脈沖累加效應(yīng)產(chǎn)生了低密度的空氣通道的物理機(jī)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(qiáng)空間演化的理論計(jì)算結(jié)果：(a) 0.1 mJ, (b) 0.2 mJ, (c) 0.7 mJ and (d) 1.2 mJ。

在本項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了單發(fā)飛秒激光脈沖的成絲過(guò)程，得到光絲等離子體密度的空間分布，根據(jù)等離子體密度計(jì)算等離子體的復(fù)合熱，結(jié)合熱傳導(dǎo)方程得到不同重復(fù)頻率下光絲誘導(dǎo)的“低密度孔”情況。通過(guò)“低密度孔”修正飛秒激光脈沖非線性傳輸數(shù)值模擬方程的相關(guān)系數(shù)，從而得到不同重頻激光脈沖的成絲結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了飛秒強(qiáng)激光大氣成絲光強(qiáng)隨重頻升高而增大的現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量光絲誘導(dǎo)的氮?dú)夥肿雍偷獨(dú)怆x子熒光表征光絲內(nèi)部的光強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了理論預(yù)期，成功地解釋了不同重復(fù)頻率飛秒激光脈沖誘導(dǎo)大氣光絲內(nèi)部光強(qiáng)的變化規(guī)律，為深入理解高重頻飛秒激光大氣成絲、開(kāi)拓其新應(yīng)用提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

圖2 100Hz和1000Hz重頻激光非線性傳輸平均強(qiáng)度隨激光脈沖能量變化（a）和激光脈沖能量為1.2mJ時(shí),光絲內(nèi)部光強(qiáng)隨激光重頻變化（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（c）和（d）為對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。(e) 不同重復(fù)頻率下低密度區(qū)的空氣分子密度分布情況。