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【資訊】超快激光成絲：各種光學效應的集大成者

更新時間：2025-05-26

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　　高功率超快激光在透明介質傳輸中不產生明顯的發散，其傳輸距離可以遠遠超越衍射極限，同時會產生等離子通道(圖1(a))。該通道通常稱為“光絲"，這一過程即為成絲現象。同時激光光譜會極大展寬(圖1(b))，可以覆蓋從微波到紫外的超寬范圍，被稱為白色激光或者超連續譜。

　　雖然1964年人們就在實驗中發現了激光成絲現象，但直到1994年Gérard Mourou教授(諾貝爾物理學獎獲得者)課題組發現空氣中的成絲現象，人們才開始重視激光成絲現象在大氣遙感、超快激光技術、人工干預天氣、激光超精細加工、強太赫茲波源等領域的研究與潛在應用，研究熱潮一直持續至今。

　　圖1 空氣和玻璃中的超快激光成絲現象

　　超快激光成絲現象是各種光學效應的集大成者

　　自1964年Chiao等人提出基于衍射和光克爾自聚焦平衡的自陷模型開始，人們對于成絲現象物理機制的認識不斷在豐富。1995年Mourou教授課題組提出基于光克爾自聚焦與等離子體散焦平衡的自引導模型。1999年作者團隊提出移動焦點模型。2004年亞利桑那大學Moloney教授課題組提出動態補償機制。

　　目前已知超快激光成絲動力學過程是眾多光學效應共同作用的結果，包括衍射、色散、自聚焦、自相位調制、自陡峭、多光子/隧穿電離、受激放大、時空耦合、拉曼效應、分子排列、多光子吸收、高次諧波、Cherenkov輻射、多絲競爭(圖2)等。

　　隨著研究工作的推進，研究人員不斷觀察到更多物理現象。2018年瑞士日內瓦大學Wolf教授課題組發現光絲中激光激發了分子的Kramers-Henneberger態。2020年作者團隊發現了激光誘導分子排列與分子軌道角動量耦合產生的分子熒光空間不均勻分布。

　　圖2 成絲產生白色激光與多絲干涉產生彩色條紋

　　超快激光成絲現象是跨時空尺度的旅行者

　　超快激光在成絲過程中會發生強烈的時空演變。A. Couairon等人在2009年提出激光脈沖寬度在光絲中會被壓縮到亞周期量級的結論，作者團隊在2012年從實驗上證明了該結論。而隧穿電離更是亞飛秒量級的超快過程，激光誘導分子排列發生在皮秒尺度，等離子體演變多在納秒尺度。美國馬里蘭大學Milchberg和作者團隊分別在2014年和2018年觀測到了弛豫時間長達2 ms和200 ms的光絲誘導空氣光波導和氣泡產生。

　　在空間尺度方面，光絲直徑在空氣中是100 μm左右，在液體或玻璃中則只有幾微米。2003年歐洲Teramobile課題組報道了成絲現象可延伸到平流層。2016年，A. Couairon等人通過理論模擬證明從400公里外衛星軌道發射激光，可以在地面附近產生光絲(圖3)。

　　因此，超快激光成絲現象是不折不扣的跨時空尺度旅行者，為人們從不同時空尺度獲取物質信息、改造物質提供了不可替代的工具。

　　圖3 超遠程產生超快激光成絲現象

　　超快激光成絲現象是條件研究方法的挑戰者

　　成絲現象研究不僅涉及光學效應多、時空尺度跨度大，而且處于超高激光強度和多樣化的環境等的微觀與宏觀條件中，極富挑戰。

　　實驗表征的最大困難在于光絲中的激光強度足以打壞任何探測器，無法利用各種常規儀器進行直接測量。為了解決這一困難，人們嘗試了多種間接測量方法。

　　玻璃板燒蝕深度、熱敏紙灰度(圖4(a))可對光絲內光強空間分布做定性分析，高次諧波截止頻率、分子熒光測量(圖4(b))則可應用于光強的定量測量，后者的優勢在于原位和非侵入式，甚至可應用于激光光強的遠程探測。

　　基于光絲誘導熒光的“可視化"研究方法也是測量光絲長度和直徑的最常見技術途徑之一。另外，光絲產生的超聲信號、微波信號都可以應用于光絲長度的表征。

　　圖4 通過不同實驗方法表征光絲內激光強度。(a)通過熱敏紙灰度記錄;(b)分子熒光譜法測量

　　此外，成絲過程中的激光脈沖時域變化非常劇烈，其測量問題一直以來都未能很好地解決。2012年Levis等提出基于瞬態頻率分辨光快門(TG-FROG)技術，可以實現光絲內激光時域包絡和相位的原位測量。實驗結果展現了成絲過程中激光脈沖所經歷的自陡峭、脈沖分裂、脈沖壓縮等復雜過程。

　　成絲現象實驗研究的另一項重要內容是光學介質性質變化的表征，尤其是光絲中自由電子密度的測量。研究人員提出了一系列測量手段，如利用導電率、陰影圖、干涉圖、等離子衍射、超聲波探測、原子熒光譜、THz時域光譜等進行測量。

　　理論研究方面的挑戰則主要在于大時空跨度所帶來的數值模擬窗口與分辨率的平衡。在物理模型構建方面，不僅要考慮激光非線性傳輸方程，還需要耦合電離速率方程、流體熱力學馳豫方程、大氣吸收散射模型、分子原子量子物理模型等。

　　面對以上挑戰，超快激光成絲研究需要多學科之間緊密合作與交叉的“頭腦風暴"。

　　超快激光成絲現象是自我調控的優化大師

　　超快激光成絲現象具有令人驚訝的自我調控能力，眾多傳統的光學概念，其最核心的物理機制是光克爾自聚焦與等離子體散焦之間的動態平衡。

　　超快激光成絲的光絲光強主要由光學介質的非線性折射率和電離速率決定，與入射能量、聚焦距離都沒有特定關系，因此約為常數，這被稱為光強鉗制效應。實驗證明光絲內光強抖動不高于0.5 % (self-stablization)，如圖5所示，這對于要求穩定高光強的非線性光學應用吸引力。

　　由于光克爾自聚焦的自由空間模式濾波能力，光絲內的光強在空間上主要呈現接近理想高斯形狀對稱分布，可稱為空間模式自改善現象(self-mode-cleaning)。正是利用這一性質，超快激光成絲現象已經廣泛應用于手機、顯示器、汽車等工業領域中的高效高質量玻璃切割工藝中。

　　非線性折射率之間的平衡作用，弱化了光絲內的群速度色散，顯著提高了非線性作用的相干長度(self-phase-locking)，這對于高次諧波、四波混頻等激光頻率轉換技術具有重要意義。不僅如此，激光脈沖在光絲內會發生的自壓縮現象(self-pulse-compression)，是目前獲得高能量少數周期激光脈沖的優選技術途徑之一。值得一提的是，這一技術目前已經實現了商品化。

　　圖5 光絲內的四波混頻過程產生自壓縮的新頻段激光脈沖，能量穩定性突破傳統非線性光學極限

　　超快激光成絲現象是前沿應用的探索者

　　超距產生穩定的超高光強和超寬連續譜是超快激光成絲現象特色的個性標簽。激光超精細加工的實現和超快激光脈沖的產生已經成功應用于商業中。目前關注的是成絲現象在大氣中的遠程應用，包括空氣激光(圖6)、大氣污染探測、人工干預天氣(圖7(a))甚至空間通信等。

　　圖6 光絲中的分子熒光受激放大效應(空氣激光)

　　強太赫茲波的產生是氣體成絲現象的另外一個熱點應用(圖7(b))，它的優勢在于THz波脈寬短、峰值強度高(電場強度已達21 MV/cm)、頻譜范圍覆蓋寬(最高達到200 THz)。

　　圖7 成絲現象有望應用于(a)人工降雨(雪)、(b)遠程強THz波產生

　　對于不同領域的應用需求，超快激光成絲現象研究的主要挑戰在于對光絲的相干調控，其中包括光絲長度或距離、多絲控制、等離子密度等。在這方面，啁啾、透鏡聚焦等宏觀調控方法結合相位板、時空聚焦等微觀相位整形調控方法是主流發展趨勢。

　　在理論研究方面，成絲現象研究需要解決的主要挑戰是建立跨時空尺度的宏觀-微觀統一的物理模型，實現高效耦合超快激光傳輸非線性波動方程、流體動力學方程以及光分子動力學機制等不同模型的數值模擬方法。

　　總之，因為其豐富的物理內涵、廣闊的應用前景，超快激光成絲現象研究吸引著光學、物理、化學、材料等不同領域的有志者投身其中，共創更加多彩和激動人心的未來。

參考文獻：中國光學期刊網

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