上海光机所提出空气激光级联放大方案并实现高灵敏气体探测

近日，中科院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队提出空气激光的级联放大方案，产生了目前公开报道输出能量最高的空气激光，并进一步发展了一种高灵敏、单光束相干拉曼光谱技术，展示了其在多组分气体灵敏探测方面的优势。相关成果以“Cascaded amplification of air lasing”为题发表于Science Advances。

超快强光场驱动的空气激光不仅蕴含丰富而新颖的物理机制，而且为大气遥感、燃烧诊断等领域提供了极具潜力的探测工具。然而，空气激光的输出能量通常局限在纳焦量级甚至更低的水平，极大地限制了其实际应用。为了攻克这一瓶颈，多个国际顶尖研究团队相继开展研究。维也纳工业大学、美国空军实验室和亚利桑那大学组成的国际联合研究团队，依托美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的10焦耳皮秒激光装置，产生了2.5 μJ的氮分子激光，创下了当时大气环境中获得的最强空气激光纪录。法国巴黎综合理工大学研究团队利用百毫焦、太瓦级激光系统，成功实现了2.6 μJ的氮气离子激光输出。虽然这些研究均获得了微焦量级的空气激光，却依赖大能量激光装置。因此，如何利用毫焦耳级商用飞秒激光器产生更高能量的空气激光，是空气激光走向实际应用必须攻克的核心问题。

在该论文中，研究团队提出了一种级联放大方案，将一束800 nm、5.7 mJ、40 fs的激光脉冲经凹面镜在氮气中多次聚焦，实现了单脉冲能量高达4.4 μJ的氮气离子空气激光输出（图1），刷新了目前公开报道最强的空气激光纪录。相应的转化效率为7.7×10-4，比劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的大能量激光系统产生的空气激光的转换效率提高了3个数量级以上。该方案克服了单次聚焦过程中泵浦光强与增益长度难以同时优化的矛盾，能够最大化利用粒子数反转，在固定泵浦能量下实现最高能量的空气激光输出。该方案还将空气激光的泵浦能量阈值从3.3 mJ降低到了0.9 mJ，为利用掺镱固体超快激光器甚至光纤激光器产生高重频、高通量、小型化空气激光光源提供了可能，这将极大拓展空气激光的应用场景。

该级联放大方案不仅有力提升了空气激光能量，显著降低了其泵浦阈值，而且极大拓展了泵浦光的频谱范围，并有效压缩了空气激光的脉宽，为构建单光束相干拉曼光谱仪提供了天然时空锁定的飞秒/皮秒双色光源。因此，基于四次聚焦产生的泵浦光和空气激光，该团队还发展了一种高灵敏的单光束相干拉曼光谱技术，实现了SF6、CO2、O2以及光丝中产生的O3等多种分子的同时探测，SF6气体的最小探测浓度达到30 ppm的水平（图2）。

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图1. （A）空气激光的级联放大方案示意图；（B）不同聚焦次数下获得的空气激光能量随气压的变化；（C）单次和四次聚焦情况下，在40 mbar氮气中获得的空气激光能量随泵浦能量的变化。

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图2. 基于级联放大方案发展的单光束相干拉曼光谱技术在多组分、高灵敏气体检测中的应用展示。（A）实现多种分子同时探测；（B）实现浓度为30 ppm的SF6气体的检测。

该研究利用级联放大方案，突破了空气激光输出能量、转换效率与泵浦阈值的多重限制，并同步实现了泵浦激光的光谱展宽与空气激光的脉冲压缩。基于级联放大方案发展的单光束相干拉曼光谱技术展示出ppm级的高灵敏探测能力和卓越的多组分检测优势，为大气污染溯源和极端环境燃烧诊断提供了全新的技术手段。

相关研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院相关项目的支持。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady7458