“本次成果帶來了一項革命性技術突破，即通過在空氣中引入利用電場調控飛秒激光成絲過程，產生了穩定的高重頻、高強度的超連續光源。
對于推動熒光顯微術、激光雷達、生物醫學成像、光學相干斷層掃描、以及阿秒脈沖技術的發展具有深遠影響，是領域內的一個重大里程碑。”
對于中國科學院上海光學精密機械研究所發表在 Light: SCience & Applications 的新論文，其中一位審稿人給予上述高度認可。
（來源：Light: SCience & Applications）
在這項研究之中，課題組提出了一種能同時有效提升高重頻飛秒光絲、和超連續譜（SC，Supercontinuum）白光光源指向穩定性的方法。
通過外電場調控，該團隊解決了高重頻飛秒激光大氣成絲過程中光絲自抖動的國際難題。
即在空氣中產生了指向和強度穩定的、大能量高強度、高重頻（1kHz）超連續譜白光激光光源。
圖 | 不同高壓下，光絲（a-d）及對應前向白光（e-h）光斑的位置分布圖（來源：Light: SCience & Applications）
據介紹，通過外加直流電場，可以有效地抑制光絲內等離子體復合，從而顯著延長等離子體的壽命。
這樣一來在相鄰脈沖之間，可以明顯減少空氣中因等離子體復合而沉積的熱量，進而降低熱致氣流的擾動強度。
在這種高電場環境之下，電暈放電產生的穩定離子風，也能有效克服光絲自擾動氣流。
實驗中，通過在 1kHz 飛秒激光空氣光絲上施加高壓直流電場時，高重頻光絲、及其產生的前向超連續譜白光空間指向穩定性至少提高了兩倍。
這不僅證實了外部直流電場在高重頻光絲控制方面的重要作用，也為高重頻光絲在光譜、加工、其他伴生輻射源等應用提供了新的機遇。
總的來說，本次研究展示了直流電場對空氣中激光光絲影響的前沿成果。課題組發現，隨著直流電場強度的提升，激光光絲的空間抖動現象得到顯著穩定。
期間，他們也深入探討了電場對飛秒光絲的調制效應，并通過實驗研究揭示了一個引人入勝的新現象。
通過此，他們不僅成功識別出一種獨特的機制，并發現該機制能夠顯著降低成絲過程、以及脈沖傳播期間由自加熱效應引起的氣流擾動。
而且，該團隊還巧妙地構建了一個理論模型來闡釋所觀察到的現象，從而深刻地揭示了其背后的物理本質。
電場輔助下的高重頻飛秒光絲、以及空間穩定的超連續譜輻射，預計能在多個領域發揮重要作用：
其一，可用于高精度光學測量。
通過電場輔助的飛秒光絲，可以實現對極小時間和空間尺度的精確測量。這能為物理、化學和生物學實驗中的時間分辨率測量提供了強大的工具。
其二，可用于材料加工。
電場輔助的飛秒光絲因其極高的精度和控制性，適用于精細材料加工。它可以在不破壞材料周圍區域的情況下，實現更高的加工精度。
其三，可用于物質探測。
基于高重頻光絲的超連續譜輻射、二次諧波、三次諧波、空氣激光、THz 光源等，可被用于多相態、多物質成分的光譜分析。
外電場調控的高重頻氣體成絲，可以改善上述伴生輻射源的穩定性和傳輸效率，從而提高相關應用的靈敏度和準確性等效能。
據了解，超連續白光的原理是將超短激光脈沖射入透明介質內。由于一系列非線性效應，使得出射激光光譜得到極大展寬，從而產生的具有連續光譜分布的白光。
因其超寬的光譜以及相干特性，超連續譜白光激光已被廣泛用于光學參量放大、光脈沖壓縮、激光誘導結構躍遷的動態表征、大氣遙感探測分析、以及白光激光雷達等方面。
能產生超連續白光的介質有很多，其中固體材料或光子晶體等較為常見。但是，由于固體介質損傷閾值的限制，無法產生大能量的超連續白光激光。
利用超快超強脈沖激光在氣體介質中電離成絲，就可以突破這一局限。在氣體成絲過程中，由于克爾效應自相位調制、自陡峭效應和四波混頻等非線性效應機制，使得激光光譜得以顯著展寬。
但是，隨著高重頻激光技術的發展，高重頻光絲的優勢也逐漸顯現。
例如，利用高重頻光絲實現超連續白光雷達探測，不僅具有更高的響應速度，而且能夠輕松實現對于空間位置的高幀率掃描。
但是，對于高重頻氣體光絲來說，由于激光能量在氣體中的沉積，氣體分子熱擴散過程中會引起氣流運動，使得激光傳輸路徑上將會出現湍流，從而造成下一激光脈沖的光束偏折。
進而導致光絲指向性變差，這會嚴重影響基于氣體成絲產生的超連續白光的強度和空間穩定性，也對相關應用產生了不利影響。
基于此，為了探索飛秒光絲的更廣泛應用，該團隊啟動了光場與高壓電場交叉領域的研究，并進行了大量關于飛秒光絲誘導電暈放電的實驗工作。
令他們驚喜的是，電場對于提高光絲引導前向白光的穩定性具有顯著作用，這一現象是在實驗中偶然觀察到的。發現這一點后，他們迅速決定深入研究這一現象。
后來，他們首先開展了深入的文獻調查，學習光場、等離子體與電場之間的相互作用。
隨后，又開展了大量實驗，探索如何準確地控制電場、如何觀測和測量光絲和超連續譜輻射等。
隨著數據的積累，他們發現了一些新規律：隨著外加直流高壓的增大，光絲以及前向超連續譜輻射的空間穩定性會不斷提升。但是，當高壓到達一定閾值時，就不再發生改變。
在這個過程中超連續輻射光譜強度也得到了提升。于是，課題組從飛秒激光空氣成絲熱致抖動的本源出發，建立了理論模型，解釋了這一現象的物理機制。
最終，相關論文以《通過電場輔助飛秒激光在空氣中成絲產生 1 kHz 穩定、強烈的超連續譜光》（Stable, intense supercontinuum light generation at 1?kHz by electric field assisted femtosecond laser filamentation in air）為題發在 Light: SCience & Applications（IF 19.4）。
圖 | 相關論文（來源：Light: SCience & Applications）
劉堯香是第一作者，中國科學院上海光學精密機械研究所王鐵軍研究員、冷雨欣研究員、李儒新研究員擔任共同通訊作者 [1]。
圖 | 王鐵軍（來源：王鐵軍）
另據悉，當超強超快激光穿過非線性氣體介質時，它會誘發強烈的非線性光學效應，比如諧波生成和參量放大等，這些效應可以被用來產生二次輻射。
值得注意的是，這些二次輻射的特性是由光絲特性決定的，而他們可以通過電場來精確調控光絲特性。
因此在下一步的研究中，他們計劃利用電場與光場的相互作用，以課題組現有的研究成果為基礎，進一步深入探索如何利用電場調控以高重頻光絲作為二次輻射源的特性，并探索相關新現象、新機制和新應用。
參考資料：
1.Liu, Y., Yin, F., Wang, TJ.et al. Stable, intense supercontinuum light generation at 1?kHz by electric field assisted femtosecond laser filamentation in air. Light SCi Appl 13, 42 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01364-3
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