【激光器发明60周年】超快激光成丝：各种光学效应的集大成者

本文为中国激光第1809篇。

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编者按

《中国激光》于2020年第5期出版“纪念激光器发明60周年”专题。《中国激光》编委、南开大学刘伟伟教授受邀撰写《超快激光成丝现象研究综述》，本文对超快激光在介质中的成丝现象进行了综述，主要包括发展历史、关键实验技术、基本物理机制和创新调控方法，并对未来应用研究所面临的挑战进行了展望。

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背景介绍

高功率超快激光在透明介质传输中不产生明显的发散，其传输距离可以远远超越衍射极限，同时会产生等离子通道（图1（a））。该通道通常称为“光丝”，这一过程即为成丝现象。同时激光光谱会极大展宽（图1（b）），可以覆盖从微波到紫外的超宽范围，被称为白色激光或者超连续谱。

虽然1964年人们就在实验中发现了激光成丝现象，但直到1994年Gérard Mourou教授（诺贝尔物理学奖获得者）课题组发现空气中的成丝现象，人们才开始重视激光成丝现象在大气遥感、超快激光技术、人工干预天气、激光超精细加工、强太赫兹波源等领域的研究与潜在应用，研究热潮一直持续至今。

图1 空气和玻璃中的超快激光成丝现象

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超快激光成丝现象是各种光学效应的集大成者

自1964年Chiao等人提出基于衍射和光克尔自聚焦平衡的自陷模型开始，人们对于成丝现象物理机制的认识不断在丰富。1995年Mourou教授课题组提出基于光克尔自聚焦与等离子体散焦平衡的自引导模型。1999年作者团队提出移动焦点模型。2004年亚利桑那大学Moloney教授课题组提出动态补偿机制。

目前已知超快激光成丝动力学过程是众多光学效应共同作用的结果，包括衍射、色散、自聚焦、自相位调制、自陡峭、多光子/隧穿电离、受激放大、时空耦合、拉曼效应、分子排列、多光子吸收、高次谐波、Cherenkov辐射、多丝竞争（图2）等。

随着研究工作的推进，研究人员不断观察到更多物理现象。2018年瑞士日内瓦大学Wolf教授课题组发现光丝中激光激发了分子的Kramers-Henneberger态。2020年作者团队发现了激光诱导分子排列与分子轨道角动量耦合产生的分子荧光空间不均匀分布。

图2 成丝产生白色激光与多丝干涉产生彩色条纹

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超快激光成丝现象是跨时空尺度的旅行者

超快激光在成丝过程中会发生强烈的时空演变。A. Couairon等人在2009年提出激光脉冲宽度在光丝中会被压缩到亚周期量级的结论，作者团队在2012年从实验上证明了该结论。而隧穿电离更是亚飞秒量级的超快过程，激光诱导分子排列发生在皮秒尺度，等离子体演变多在纳秒尺度。美国马里兰大学Milchberg和作者团队分别在2014年和2018年观测到了弛豫时间长达2 ms和200 ms的光丝诱导空气光波导和气泡产生。

在空间尺度方面，光丝直径在空气中是100 μm左右，在液体或玻璃中则只有几微米。2003年欧洲Teramobile课题组报道了成丝现象可延伸到平流层。2016年，A. Couairon等人通过理论模拟证明从400公里外卫星轨道发射激光，可以在地面附近产生光丝（图3）。

因此，超快激光成丝现象是不折不扣的跨时空尺度旅行者，为人们从不同时空尺度获取物质信息、改造物质提供了不可替代的工具。

图3 超远程产生超快激光成丝现象

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超快激光成丝现象是极端条件研究方法的挑战者

成丝现象研究不仅涉及光学效应多、时空尺度跨度大，而且处于超高激光强度和多样化的环境等极端的微观与宏观条件中，极富挑战。

实验表征的最大困难在于光丝中的激光强度足以打坏任何探测器，无法利用各种常规仪器进行直接测量。为了解决这一困难，人们尝试了多种间接测量方法。

玻璃板烧蚀深度、热敏纸灰度（图4(a)）可对光丝内光强空间分布做定性分析，高次谐波截止频率、分子荧光测量（图4(b)）则可应用于光强的定量测量，后者的优势在于原位和非侵入式，甚至可应用于激光光强的远程探测。

基于光丝诱导荧光的“可视化”研究方法也是测量光丝长度和直径的最常见技术途径之一。另外，光丝产生的超声信号、微波信号都可以应用于光丝长度的表征。

图4 通过不同实验方法表征光丝内激光强度。（a）通过热敏纸灰度记录；（b）分子荧光谱法测量

此外，成丝过程中的激光脉冲时域变化非常剧烈，其测量问题一直以来都未能很好地解决。2012年Levis等提出基于瞬态频率分辨光快门（TG-FROG）技术，可以实现光丝内激光时域包络和相位的原位测量。实验结果展现了成丝过程中激光脉冲所经历的自陡峭、脉冲分裂、脉冲压缩等复杂过程。

成丝现象实验研究的另一项重要内容是光学介质性质变化的表征，尤其是光丝中自由电子密度的测量。研究人员提出了一系列测量手段，如利用导电率、阴影图、干涉图、等离子衍射、超声波探测、原子荧光谱、THz时域光谱等进行测量。

理论研究方面的挑战则主要在于大时空跨度所带来的数值模拟窗口与分辨率的平衡。在物理模型构建方面，不仅要考虑激光非线性传输方程，还需要耦合电离速率方程、流体热力学驰豫方程、大气吸收散射模型、分子原子量子物理模型等。

面对以上挑战，超快激光成丝研究需要多学科之间紧密合作与交叉的“头脑风暴”。

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超快激光成丝现象是自我调控的优化大师

超快激光成丝现象具有令人惊讶的自我调控能力，颠覆了众多传统的光学概念，其最核心的物理机制是光克尔自聚焦与等离子体散焦之间的动态平衡。

超快激光成丝的光丝光强主要由光学介质的非线性折射率和电离速率决定，与入射能量、聚焦距离都没有特定关系，因此约为常数，这被称为光强钳制效应。实验证明光丝内光强抖动不高于0.5 % (self-stablization)，如图5所示，这对于要求稳定高光强的非线性光学应用极具吸引力。

由于光克尔自聚焦的自由空间模式滤波能力，光丝内的光强在空间上主要呈现接近理想高斯形状对称分布，可称为空间模式自改善现象（self-mode-cleaning）。正是利用这一特有性质，超快激光成丝现象已经广泛应用于手机、显示器、汽车等工业领域中的高效高质量玻璃切割工艺中。

非线性折射率之间的平衡作用，弱化了光丝内的群速度色散，显著提高了非线性作用的相干长度（self-phase-locking），这对于高次谐波、四波混频等激光频率转换技术具有重要意义。不仅如此，激光脉冲在光丝内会发生独特的自压缩现象（self-pulse-compression），是目前获得高能量少数周期激光脉冲的优选技术途径之一。值得一提的是，这一技术目前已经实现了商品化。

图5 光丝内的四波混频过程产生自压缩的新频段激光脉冲，能量稳定性突破传统非线性光学极限

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超快激光成丝现象是前沿应用的探索者

超距产生稳定的超高光强和超宽连续谱是超快激光成丝现象最具特色的个性标签。激光超精细加工的实现和超快激光脉冲的产生已经成功应用于商业中。目前最受关注的是成丝现象在大气中的远程应用，包括空气激光（图6）、大气污染探测、人工干预天气（图7（a））甚至空间通信等。

图6 光丝中的分子荧光受激放大效应（空气激光）

强太赫兹波的产生是气体成丝现象的另外一个热点应用（图7（b）），它的优势在于THz波脉宽短、峰值强度高（电场强度已达21 MV/cm）、频谱范围覆盖宽（最高达到200 THz）。

图7 成丝现象有望应用于（a）人工降雨（雪）、（b）远程强THz波产生

对于不同领域的应用需求，超快激光成丝现象研究的主要挑战在于对光丝的相干调控，其中包括光丝长度或距离、多丝控制、等离子密度等。在这方面，啁啾、透镜聚焦等宏观调控方法结合相位板、时空聚焦等微观相位整形调控方法是主流发展趋势。

在理论研究方面，成丝现象研究需要解决的主要挑战是建立跨时空尺度的宏观-微观统一的物理模型，实现高效耦合超快激光传输非线性波动方程、流体动力学方程以及光分子动力学机制等不同模型的数值模拟方法。

总之，因为其丰富的物理内涵、广阔的应用前景，超快激光成丝现象研究吸引着光学、物理、化学、材料等不同领域的有志者投身其中，共创更加多彩和激动人心的未来。

课题组介绍

南开大学刘伟伟教授科研团队面向环境、生命科学的应用需求，围绕超快激光科学，结合太赫兹科技和微结构材料，开展极端时空尺度下的大气污染光谱监测、太赫兹无损检测、生物医学光谱成像等方面的新技术和新方法研究。

团队近年来核心研究工作围绕成丝现象中激光与物质相互作用机制和调控展开，以驾驭光丝中非线性光学过程为总体目标，紧密围绕光强时空分布调控这一研究主轴，开展极端尺度下的物理参数表征方法→时空演变物理机制→调控技术→创新应用的链条式研究。相关研究成果多次被高水平期刊推荐为封面彩图、彩页插图、年度亮点论文等。

团队主持国家重点研发计划、载人航天工程、国家自然科学基金、军委装备预研等国家和省部级项目30多项。科研成果获得天津市自然科学一等奖、天津市专利奖金奖等奖励，被中央电视台、天津电视台等媒体广泛报道，并入选南开大学百年校庆成果展和宣传片。

团队网址：http://femto-nankai.cn/

延伸阅读：

[1]鞠晶晶,刘建胜,孙海轶,李儒新,SeeLeangChin,徐至展. 飞秒激光人工影响天气的物理机理及研究进展[J]. 中国激光, 2019, 46(5): 0508004

[2]李子熙,龚成,华林强,柳晓军. 强飞秒激光在氟化钙晶体中产生的超连续谱[J]. 中国激光, 2019, 46(5): 0508021

[3] 张旋,王铁军,郭豪,孙海轶,李儒新. 脉宽依赖的飞秒激光成丝钳制光强的研究[J]. 中国激光, 2019, 46(9): 0901005

[4] 徐强,苏强,鲁丹,张楠,张杨,刘伟伟. 基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614010

[5]康俊,崔自若,朱坪,高奇,郭爱林,朱海东,杨庆伟,孙美智,谢兴龙,朱健强. 超短超强激光装置中消色差技术的研究与进展[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(9): 090001

[6] 罗嗣佐,陈洲,李孝开,胡湛,丁大军. 超快飞秒激光场中原子分子量子态调控(特邀综述)[J]. 光学学报, 2019, 39(1): 0126007

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