圆偏振800nm飞秒激光脉冲泵浦的背向空气激光的研究

Backward air laser has received much attention after its breakthrough in 2011 by researchers of Princeton University, due to its potential to revolutionize the current technique of optical remote sensing and bring about unprecedented improvement of detection sensitivity and precision. In 2014, our research group observed, for the first time, a significant backward lasing action at 337 nm from plasma filaments in pure nitrogen or nitrogen-oxygen mixture pumped by circularly polarized femtosecond laser pulses of 800 nm wavelength. However, this 337 nm backward lasing sees a rapid energy decrease with the increase of oxygen concentration in the gas mixture, and ceases in ambient air. The objectives of this project are to understand the underlying physical mechanism of oxygen quenching effect with various spectroscopy methods, overcome this quenching effect with a femtosecond or nanosecond pre-pulse, and realize backward air laser in atmospheric air. Furthermore, we intend to push the backward air laser from the current linear amplification regime to the saturated amplification regime with a cascaded air plasma scheme, which is expected to improve the stability and output energy of the backward air laser simultaneously. This project will clarify the physical mechanism of the oxygen quenching effect, establish the effective optical methods to overcome this detrimental effect, pave the way for the realization of a remote free-space backward air laser.

背向空气激光在2011年由普林斯顿大学取得重大突破，随后迅速成为超强超快光学方面的新兴研究热点，因其有望为光学远程探测和遥感带来革命性提高。2014年，申请人与团队将圆偏振 800nm飞秒激光聚焦入射到氮气或氮气-氧气混合气中，在背向观测到了显著的来自气体等离子体的337nm氮气受激辐射。然而，研究发现随氮气-氧气混合气体中氧气相对浓度的增加，背向337nm激射不断减弱，在空气环境下背向激射完全淬灭。本课题的目标就是利用光谱学方法探索氧气导致背向337nm激射淬灭的原因，寻求利用光学预脉冲来抑制和克服氧气淬灭作用的途径，最终实现背向空气激光。在此基础之上，课题将采用级联空气等离子体方案，使背向空气激光从线性放大区进入饱和放大区，以期实现背向空气激光能量和稳定性的同步提高。本研究将澄清氧气淬灭作用的物理机制，确立克服这一淬灭作用的有效方法，为实现远程自由空间的背向空气激光奠定基础。

超快激光泵浦空气而产生的空气激光效应是近几年来强场物理领域的新颖效应，吸引了全世界近20多个研究小组的高度关注和强烈兴趣。一方面，这种无腔室的空气激光在光学远程探测方面具有重大的潜在应用价值。另一方面，空气激光效应中蕴含着丰富的基础物理问题，诸多谜团亟待研究。本项目致力于研究800nm飞秒激光泵浦的氮气分子激射效应，力争澄清氧气分子对氮气激射效应淬灭的物理机制，探索大气环境下空气激光的实现和增强，以及新方案。项目组按照计划书完成了全部既定研究计划，具体了多项重要成果。. 在该项目支持下，发表相关研究论文12篇(PRL 2篇， PRA 2篇，APL Photonics 1篇)。其中1篇论文被选为封面文章，一篇论文被遴选为featured article。项目组成员在国际和国内会议上进行了一次大会报告，五次邀请报告，介绍项目相关的研究成果。项目组申请并获批专利一项；依托该项目，课题组与法国巴黎综合理工大学，瑞典隆德大学开展了深入合作，联合培养博士研究生2名，项目共培养研究生4名。. 项目取得的重要研究结果包括：(1) 澄清了氮气分子激光效应中高能级分子布居的物理机制(PRL. 123,243203(2019))，这对于氮气分子空气激光的优化以及飞秒光丝的应用具有重要价值; (2)研究了氧气分子对于氮气激射效应淬灭的物理机制，认为其主要来源于氧气掺入导致的光丝内光强下降； (3)对于氮气分子激光的时域动力学进行了测量，观察到前向和后向的不对称性，建立了理论模型(PRA. 94, 043824(2016); PRA. 96. 033810(2017))； (4) 揭示了氮气离子激光效应中泵浦波长的关键作用(PRL.119,203205(2017))，肯定了电子再碰撞机制的重要作用；(5) 首次报道了氮气离子超辐射的相干控制(OE,27,12638(2019), 提出了无反转放大的可能性(APL Photon.4, 110807(2019)); (6)观察到背向辐射的氮离子激光，为背向空气激光提供了可能的新方案(APB. 125, 53(2020))。. 通过本项目的实施，我们对氮气分子和离子空气激光效应的理解得到了进一步的加深，对于氧气分子的淬灭作用的机理有了清晰的认识，为空气激光效应的实际应用奠定了基础。