强场激光电离诱导产生空气激光中的分子超辐射相关研究

When high power ultrafast laser pulses propagate in air, free-space air lasers can be generated via using air molecules as the gain medium. The new phenomenon is attracting growing interest in the world since that compared with traditional light sources, brightened air lasers provide a new scheme to realize remote atmospheric sensing with higher detection efficiency and higher detection sensitivity. So far， remote atmospheric sensing based on air lasers is still faced with various challenges, one of the key elements is clarifying the physical mechanism behind air lasers generation and manipulating its amplification process. Air lasers induced by strong-field ionization involves many complicated physical processes including molecular ionization、excitation of molecular rotation、 population coupling, etc., which cause that the physical mechanism behind air lasers generation is still in hot debate. According to the above-mentioned research background, this project aims to carry out detailed investigation on molecular superradiance effects existed during air laser generation induced by strong-field ionization, and reveal the dependence of different amplification mechanisms on experimental parameters by controlling one single amplification mechanism. Besides, theoretically, a new laser amplification model is expected to be established and then promotes the application of air lasers to remote atmospheric sensing.

高功率超快激光在空气中传输诱导产生以空气分子作为增益介质的自由空气激光现象吸引了国内外科学家的广泛关注。与传统激光光源相比，高亮度自由空气激光为实现远程大气遥感提供了一种探测效率更高、灵敏度更高的全新方案。近年来，自由空气激光取得了突飞猛进的发展，然而利用自由空气激光实现远程大气遥感仍面临诸多挑战，其中最基本、最关键的问题之一是澄清空气激光产生的物理机制进而操控其放大过程。基于强场电离诱导产生的空气激光包含分子光电离、分子转动激发、粒子数耦合等许多复杂超快过程，这些因素都会影响其激光放大特性，导致其物理机制在国际上至今仍存在巨大争议。基于以上研究背景，本项目拟通过细致研究强场电离诱导产生空气激光中存在的分子超辐射效应及其变化规律，揭示空气激光产生机制随激光参数的依赖关系，操控空气激光放大辐射机制；构建合理的空气激光放大理论模型，拓宽空气激光在远程遥感方面的应用。

高强度飞秒激光与空气分子相互作用产生的受激相干辐射（也被称为空气激光）现象是近年来强激光物理领域的热点之一。对于这一新兴领域，有两个最主要的基本问题，包括物理机制的澄清和远程大气遥感应用的开拓。本项目主要针对离子空气激光产生过程中所涉及的宏观分子间量子相干性进行研究。主要研究了以下内容：.1.通过测量氮分子离子空气激光转动分辨的偏振，澄清了量子相干性增益对激光偏振的影响；.2.构建特殊的激光光场调控氮分子离子系统的布居数和量子相干性分布，极大的提高了氮气激光的亮度输出；.3.研究了氮分子离子空气激光的放大机制，通过改变氮分子离子的粒子数反转数调控量子相干性的增益寿命，从而实现种子放大机制和超辐射机制的切换。.4.建立了强场中分子离子动力学演化的物理模型，实现了离子空气激光亚周期时间内的调控输出。.重要结果及意义可以概括为：.1.提出强场电离耦合模型，能够同时模拟强激光场作用下发生的瞬态电离和相干耦合过程。通过数值求解发现电离的注入能增强相干耦合过程，从而使得离子的激发态布居数增加。该模型对于描述强场中离子的动力学过程具有普遍意义。.2.实验发现391nm氮气离子激射附近的P支和R支的偏振关于泵浦激光偏振对称，而428nm激射附近的P支和R支则一直保持与泵浦光相同。理论上，充分考虑氮分子离子的所有自由度，通过求解强场电离耦合模型，结束转动量子相干性对激光增益的贡献。.3.开拓氮分子离子空气激光的应用研究。实验上系统地研究了超快强激光场驱动产生的氮分子离子激光的五条共振振动拉曼谱线（358 nm、388 nm、391 nm、428 nm和471 nm）。研究结果将推动基于氮分子离子激光的共振拉曼光谱在远程大气遥感应用方面的发展。.4.利用脉冲时域偏振整形方案，通过增加离子系统的粒子数反转大大提高了激光的增益，实现了离子激光信号2个数量级的增强。此外，澄清了粒子数反转在产生空气激光信号过程中所起的不可或缺的作用。