圖1(a)不同泵浦光強下種子放大倍數(shù)隨泵浦波長的變化;(b)理論計算的氮氣離子激光上下能態(tài)的粒子數(shù)差隨泵浦波長和光強的變化。

近期，中國科學(xué)院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室與國防科技大學(xué)理學(xué)院、上海理工大學(xué)光電學(xué)院等單位合作，發(fā)現(xiàn)強場中多光子共振與隧穿電離協(xié)同作用誘導(dǎo)的離子高效光激發(fā)新機制。相關(guān)成果以“Multiphoton Resonance Meets Tunneling Ionization: High-Efficient Photoexcitation in Strong-Field-Dressed Ions”為題發(fā)表于Physical Review Letters。

光電離和光激發(fā)是光與物質(zhì)相互作用的兩個基本過程。大多數(shù)情況下，這兩個過程獨立存在于不同的原子分子體系和不同激光參數(shù)區(qū)間。近年來，氮氣離子空氣激光的發(fā)現(xiàn)及其機理的廣泛爭議，促使研究人員重新思考光電離和光激發(fā)這兩個基本過程及其關(guān)聯(lián)行為。氮氣離子激光的產(chǎn)生同時包含分子隧穿電離、離子共振激發(fā)、核波包運動等諸多過程，其機理研究不僅為揭示光電離與光激發(fā)的協(xié)同作用提供了契機，而且促進(jìn)了強場物理與量子光學(xué)的交叉，近一步孕育了強場量子光學(xué)新前沿。

團隊研究了氮氣離子激光強度對于泵浦激光波長的依賴。結(jié)果表明，種子光在很寬的泵浦波段都能被有效放大而產(chǎn)生氮氣離子激光，且在1000 nm附近出現(xiàn)顯著增強，如圖1(a)所示。在最優(yōu)泵浦波長下，氮氣離子激光的產(chǎn)生閾值降低至120 mJ，僅為通常采用的800 nm泵浦的1/5。在理論研究角度，利用強場電離-耦合模型，計算了氮氣離子激光上下能態(tài)的粒子數(shù)差隨泵浦激光光強和波長的變化，重現(xiàn)了實驗結(jié)果，如圖1(b)所示。

理論分析表明，在最優(yōu)泵浦波長時，氮分子隧穿電離和離子的三光子共振在強激光場中共存，兩者協(xié)同作用導(dǎo)致離子激發(fā)態(tài)布居比它們分別作用時提高了約一個數(shù)量級。通過分析離子偶極矩與驅(qū)動光場的相位關(guān)系，揭示了其背后的物理機制，解釋了實驗上觀測的氮氣離子激光的最優(yōu)泵浦波長。如圖2所示，在隧穿電離與多光子共振協(xié)同作用下，不同時刻產(chǎn)生的離子偶極矩能夠?qū)崿F(xiàn)相位鎖定，建立最大的相干性，而且與驅(qū)動光場保持最佳相位關(guān)系，促使離子從基態(tài)持續(xù)不斷地抽運到激發(fā)態(tài)。同時，電離對光場強度的高度非線性依賴，將離子光激發(fā)過程主要限定在強度最高、變化最緩慢的光場包絡(luò)中心，進(jìn)一步提升了離子激發(fā)效率和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度。

圖2.隧穿電離與三光子共振協(xié)同作用導(dǎo)致的離子高效光激發(fā)的物理機制。

本研究揭示了一種新穎、高效的離子光激發(fā)機制，突出了強場制備的離子體系的獨特性，并且該機制普遍適用于強場電離誘導(dǎo)的離子系統(tǒng)。由于泵浦閾值的降低，該工作為提高空氣激光強度并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用提供了思路，也為將來基于光纖激光器產(chǎn)生空氣激光提供了可能。

相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、上海市科委等項目的支持。

審核編輯 黃宇