剑舞长空指苍穹——穿云透雾的飞秒激光成丝 | 刘伟伟专栏⑤

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作者 | 刘伟伟 南开大学

“千里眼、顺风耳”是人们对于信息科技不断突破时空限制的最朴素表达。

作为当今世界90%以上信息量载体，光信息技术远可以“仰观宇宙之大”，探寻宇宙诞生早期演化奥秘，近可以“明察秋毫之末”，观测微纳尺度乃至电子等亚原子结构运动规律。在真实世界中，大气层虽然作为地球维系生态、生命的重要存在，但是当光抑或电磁波在其中穿行时，必然面临着大气环境条件复杂多变的挑战，“穿云透雾”的光传输能力成为众多科技领域需要破解的共性难题。

“举头西北浮云，倚天万里须长剑”，在这一方面，飞秒激光成丝提供了崭新的科学概念和技术潜能。

“二十年来旧相识，

当年颇似寻常人”

在20年前，人们便开始意识到成丝有“穿云透雾”的潜力。在相应的实验中，人们将直径30~100 μm的液滴放置在光丝传输路径上，结果发现在液滴后的激光能量与光丝内光强与没有液滴相比，都没有显著降低。后续研究工作指出由于背景能量池在成丝过程中的核心作用，使飞秒激光传输过程中发生强烈的时空转换为受阻光丝补充能量，使其可以绕过处于激光中心的微小障碍物。

图1 成丝区域激光能流在(a) 无气溶胶情况、有气溶胶层作用（灰色区域）在(b) 成丝前和(c) 成丝处的分布图

实际上，前面的“故事”只是光丝“穿云透雾”之旅的开端。十年前，科研人员进一步发现光丝自身虽然存在时间极短，但会引起大气中复杂的流体力学变化，时间可延续毫秒量⑤级。其中的主要结果是使周围空气受热向外扩散，形成中心密度低，周围密度高的梯度结构，其径向尺寸在数百微米量级，空气密度差最高可以达到20%，折射率相差6×10-5，持续时间可以达到毫秒量级（图2）。

“扫洒青天开,

豁然披云雾”

空气密度的变化直接导致折射率梯度的形成，从而产生了“空气波导”，信号光可以在空气波导内传输！利用光丝阵列诱导的空气波导，可以实现不同模式激光的大气传输。当然，这远不是光丝“穿云透雾”之旅的终点，更为神奇的结果在于光丝诱导空气密度变化的“原力”来自于激光产生的等离子体高温高压弛豫所诱发的超声波，它所产生的压力足以将空气中的液滴、灰尘等排空。同时，有另一种解释认为光丝造成消雾效果的主要原因是雾环境中液滴被光丝破坏，半径减小，光波的能量损失从米散射过渡至瑞利散射。无论哪种解释最终被实验结果证实发挥主要作用，光丝就像一辆清障车在空气中为光信号传输开辟出一条畅通无阻的通道的实际效果已经得到展现。

图3就展示了在人造雨雾条件中，无光丝和有光丝情况下信号光的侧向散射图和前向光斑图。结果显示有光丝时信号光主要在空气波导内传输，米散射显著得到抑制。激光“穿云透雾”的梦想场景不可思议地、真真切切地呈现于人们眼前！

图2 光丝诱导空气密度(a)和真空区域直径（b）演化

图3 在人造雾中，(a)(b)无光丝和（c）(d)有光丝情况下信号光的侧向散射图和前向光斑图。结果显示有光丝时信号光主要在空气波导内传输，米散射显著得到抑制

可见，光丝“穿云透雾”的硬核力量主要来于（1）自身可以“聪明地”绕过液滴以及（2）产生空气波导这两种机制的共同作用。在实践中，当使用低重频激光时，由于空气对流，雨雾浓度会不断恢复。而利用高重频激光可以形成相对稳定的清洁效果，此时光丝传输路径上的雨雾浓度显著降低，因此激光在雨雾环境中的透过率随激光重频的增加而增加。研究者已经利用1kHz重复频率的激光成丝，在大气中产生一条准稳态、高速通信通道，光信号在大雾环境中的透过率提高了30倍，用于传输1.55μm高比特率的通信数据，证明了光丝“穿云透雾”能力在大气激光通信方面的应用价值。当然，光丝“穿云透雾”能力的应用前景将绝不仅止于大气中的激光通信；可以预见，它有望在包括激光雷达、激光对抗等领域产生具有颠覆性科学意义和变革型应用价值的新技术。

“剑舞长空指苍穹”，为充分发挥光丝“穿云透雾”的超能力，我们仍然需要经过艰苦的山重水复、柳暗花明的探索过程，此过程中仍需要面对的具有共性的主要挑战在于：

（1）光丝与大气相互作用多维、跨尺度、多物理场耦合机制。当前，复杂大气环境中光丝动力学研究更多聚焦于湍流、气溶胶等因素单独影响飞秒激光非线性传输过程的实验规律和物理机制。而随着研究已经发现了光丝产生大气低真空形成空气波导等新现象，光丝与大气复杂因素双向互动机制研究的重要性越发重要。与此相应，飞秒激光成丝非线性动力学的多物理场耦合、时空多维跨尺度的特点愈发突出，研究的复杂度也越来越高，建立更为完善精确的物理模型日益紧迫。

（2）高重频、高能量、高集成度飞秒激光放大技术。由于复杂大气环境的影响，更远距离光丝产生需要采用更高能量和峰值功率的激光器，太瓦级飞秒激光器已经成为基本配置。但是，它们的重频多为10 Hz甚至更低，而且体积笨重。如何解决高重频、高能量、高集成度这“三高”之间的矛盾是该领域激光技术发展的主要挑战。在激光技术方面未来发展目标预期将逐渐聚焦于百千赫兹重频、百毫焦能量、百飞秒脉宽的三“百”技术指标的实现。

专栏预告

下期将推出刘伟伟教授专栏第六篇“无中生有捆仙绳——亚波长THz光丝波导”，敬请期待。

作者简介

刘伟伟，受聘南开大学“杰出教授”岗位、博士生导师，现代光学研究所所长，《中国激光》编委。兼任国务院学位委员会学科评议组成员、美国光学学会会士、中国光学学会常务理事、天津市光学学会副理事长、天津市激光技术学会副理事长等。科研工作聚焦超快光子学，融合太赫兹技术前沿科技，开展多维跨尺度光传输机制、调控与应用技术研究，开发大气污染监测、无损检测、生物光谱成像等领域新技术与高端光学仪器。主持国家重点研发计划、载人航天工程、国家自然科学基金等项目30多项；发表200多篇学术论文，引用9000多次，H因子49，多次被遴选为封面文章、年度亮点论文等，并入选中国光学十大进展；授权发明专利20多项；第一完成人获中国光学学会光学科技奖一等奖、天津市自然科学一等奖、天津市科技进步一等奖、天津市技术发明二等奖、天津市专利金奖等，成果应用于天宫一号、二号、大气一号等重大工程，被中央电视台等媒体广泛报道。2007年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，荣获霍英东教育基金会青年教师基金资助；2011年获中国光学学会“王大珩光学奖-中青年科技人员光学奖”；2015年入选全国首届最美青年科技工作者；2018年获天津市有突出贡献专家；2020年获全国最美科技工作者推荐人物。

编辑 | 吕璇

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