空气激光的原理、产生及应用
发布时间：2021-08-26 06:24
近年来,空气激光因在大气传感和环境监测等领域具有重要的潜在应用价值而备受关注。空气激光通常是指强激光诱导大气组分粒子布居数反转,进而产生的远场无腔光放大的激射现象。氮气和氧气作为两种主要的大气组分,均可在强激光激发下产生激射行为。光增益介质可以是氧原子、氮原子、氮分子和氮分子离子。本文以飞秒光丝诱导氮分子和氮分子离子激光为例,讨论了空气激光的现象观测、机理探索和应用前景,并着重介绍了光场偏振效应对氮分子离子激射行为影响的研究进展。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
后向测量得到的中红外飞秒光丝诱导N2-Ar混合气体的发射光谱[44]
目前,直接在空气中产生N2空气激光的方法是将高能量皮秒激光(1053 nm/10 ps/10 J)作为泵浦光,通过激光诱导击穿过程产生的高能电子碰撞诱导N2产生粒子数反转。由于泵浦光三次谐波的波段能够覆盖C3Πu(ν′=0)和 B3Πg(ν″=0)跃迁,因此三次谐波可以作为种子光在粒子数反转的N2内被放大,最终在泵浦激光传输的同向产生N2受激辐射放大信号[60]。3 N2+的激射行为
然而,到目前为止,人们就强激光诱导N2+产生粒子数反转的物理机制尚未达成共识。在强场物理中,人们普遍认为强激光电离N2后,大部分N2+会处于基态X2Σg+,因此,直接电离是不能在N2+的激发态B2Σu +与基态X2Σg+之间建立粒子数反转的[78-79]。有研究表明,N2+粒子数反转的建立过程是在“瞬态”完成的,时间尺度大约与泵浦激光的脉冲宽度相当[36]。图3(a)展示了前向测量得到的少周期飞秒激光脉冲(6 fs,5 kHz,0.2 mJ)在空气中诱导的发射光谱。在391 nm处(B2Σu+(ν′=0)→X2Σg+(ν=0))可以清晰地观测到N2+自种子(自相位调制过程产生的白光)的激射信号,表明N2+粒子数反转过程甚至可以在几个飞秒尺度内完成[80]。基于上述分析,人们认为电离后泵浦激光与电子、离子间的相互作用对建立N2+粒子数反转起着关键作用。到目前为止,人们已提出了多种物理模型对其进行解释,如电子重碰撞激发模型[81-82]、电离后光耦合模型[80,83]、不同电子态内转动态上粒子数分布差异[84]、转动相干导致的瞬态反转[85]、近共振的拉曼放大[86-87]和电子态相干导致无反转放大[88]等,其中前两种模型受到了大家的广泛关注,下面将对其进行着重介绍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Observation of the optical X2Σg+–A2Πu coupling in N2+ lasing induced by intense laser field[J]. 王思琪,付尧,姚丹雯,陈善铭,张维,李贺龙,徐淮良. Chinese Physics B. 2019(12)
[2]Air lasing: Phenomena and mechanisms[J]. 李贺龙,姚丹雯,王思琪,付尧,徐淮良. Chinese Physics B. 2019(11)
[3]基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述[J]. 徐强,苏强,鲁丹,张楠,张杨,刘伟伟. 中国激光. 2019(06)
[4]激光脉宽和偏振效应对飞秒光丝诱导燃烧中间产物荧光光谱的影响[J]. 侯梦瑶,王思琪,姚丹雯,付尧,臧宏伟,李贺龙,徐淮良. 中国激光. 2019(05)
[5]飞秒激光等离子体通道电磁波传输研究进展[J]. 刘洋,陈宗胜,时家明. 激光与光电子学进展. 2019(09)
[6]激光大气成丝中的非线性光频转换[J]. 王铁军,徐淮良. 物理学进展. 2018(02)
[7]超强超短激光及其应用新进展[J]. 李儒新,冷雨欣,徐至展. 物理. 2015(08)
[8]Femtosecond filamentation induced fluorescence technique for atmospheric sensing[J]. 袁帅,陈瑞良,曾和平. Chinese Physics B. 2015(01)
本文编号：3363724
【文章来源】：中国激光. 2020,47(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
后向测量得到的中红外飞秒光丝诱导N2-Ar混合气体的发射光谱[44]
目前,直接在空气中产生N2空气激光的方法是将高能量皮秒激光(1053 nm/10 ps/10 J)作为泵浦光,通过激光诱导击穿过程产生的高能电子碰撞诱导N2产生粒子数反转。由于泵浦光三次谐波的波段能够覆盖C3Πu(ν′=0)和 B3Πg(ν″=0)跃迁,因此三次谐波可以作为种子光在粒子数反转的N2内被放大,最终在泵浦激光传输的同向产生N2受激辐射放大信号[60]。3 N2+的激射行为
然而,到目前为止,人们就强激光诱导N2+产生粒子数反转的物理机制尚未达成共识。在强场物理中,人们普遍认为强激光电离N2后,大部分N2+会处于基态X2Σg+,因此,直接电离是不能在N2+的激发态B2Σu +与基态X2Σg+之间建立粒子数反转的[78-79]。有研究表明,N2+粒子数反转的建立过程是在“瞬态”完成的,时间尺度大约与泵浦激光的脉冲宽度相当[36]。图3(a)展示了前向测量得到的少周期飞秒激光脉冲(6 fs,5 kHz,0.2 mJ)在空气中诱导的发射光谱。在391 nm处(B2Σu+(ν′=0)→X2Σg+(ν=0))可以清晰地观测到N2+自种子(自相位调制过程产生的白光)的激射信号,表明N2+粒子数反转过程甚至可以在几个飞秒尺度内完成[80]。基于上述分析,人们认为电离后泵浦激光与电子、离子间的相互作用对建立N2+粒子数反转起着关键作用。到目前为止,人们已提出了多种物理模型对其进行解释,如电子重碰撞激发模型[81-82]、电离后光耦合模型[80,83]、不同电子态内转动态上粒子数分布差异[84]、转动相干导致的瞬态反转[85]、近共振的拉曼放大[86-87]和电子态相干导致无反转放大[88]等,其中前两种模型受到了大家的广泛关注,下面将对其进行着重介绍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Observation of the optical X2Σg+–A2Πu coupling in N2+ lasing induced by intense laser field[J]. 王思琪,付尧,姚丹雯,陈善铭,张维,李贺龙,徐淮良. Chinese Physics B. 2019(12)
[2]Air lasing: Phenomena and mechanisms[J]. 李贺龙,姚丹雯,王思琪,付尧,徐淮良. Chinese Physics B. 2019(11)
[3]基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述[J]. 徐强,苏强,鲁丹,张楠,张杨,刘伟伟. 中国激光. 2019(06)
[4]激光脉宽和偏振效应对飞秒光丝诱导燃烧中间产物荧光光谱的影响[J]. 侯梦瑶,王思琪,姚丹雯,付尧,臧宏伟,李贺龙,徐淮良. 中国激光. 2019(05)
[5]飞秒激光等离子体通道电磁波传输研究进展[J]. 刘洋,陈宗胜,时家明. 激光与光电子学进展. 2019(09)
[6]激光大气成丝中的非线性光频转换[J]. 王铁军,徐淮良. 物理学进展. 2018(02)
[7]超强超短激光及其应用新进展[J]. 李儒新,冷雨欣,徐至展. 物理. 2015(08)
[8]Femtosecond filamentation induced fluorescence technique for atmospheric sensing[J]. 袁帅,陈瑞良,曾和平. Chinese Physics B. 2015(01)
本文编号：3363724
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