近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊，在重頻依賴飛秒激光空氣成絲自聚焦閾值研究方面取得進展。相關研究結果以“Pulse repetition-rate effect on the critical power for self-focusing of femtosecond laser in air”為題發表于Optics Express。
飛秒激光成絲產生于克爾自聚焦效應與等離子體散焦效應的動態平衡，在超短脈沖壓縮、太赫茲輻射、大氣遙感、天氣控制等領域展現出巨大的應用潛能。高重頻飛秒激光技術的發展為光絲在穿云透霧、人工引雷、激光加工等領域帶來了新的機遇。近期的研究工作中，團隊聚焦高重頻飛秒激光大氣成絲過程，發現了高重頻飛秒激光成絲的特性和規律，（Adv. Photon. Res. 4, 2200338 (2023)）澄清了脈沖累加效應對光強（High Power Laser 11, e46 (2023)）、等離子體密度和溫度的影響機制（Chin. Opt. Lett. 22, 013201 (2024)），解決了脈沖累加效應導致光絲自動的瓶頸問題（Light: Sci. & Appl. 13, 42 (2024)）。然而，自聚焦閾值是評價成絲過程是否發生的關鍵參數，高重頻依賴的脈沖累加效應對飛秒激光絲自聚焦閾值的影響尚不明確。 圖 1. 入射能量為 (a) 240 μJ、(b) 280 μJ、(c) 300 μJ 和 (d) 325 μJ 且重復頻率為 1 kHz 時光絲誘導軸上熒光信號。(e) 傳統高斯擬合和雙峰擬合的殘差圖。 在這項工作中，研究人員利用飛秒激光空氣成絲過程中幾何聚焦與克爾自聚焦的雙重作用，提出了一種基于雙峰擬合的確定自聚焦閾值的新方法。并通過深入分析殘差、均方根誤差、擬合確定系數等證明所提出的方法優于傳統的高斯擬合法，可以更為精準地確定自聚焦閾值。研究團隊測量了空氣中1kHz，500Hz，100Hz以及50Hz重頻下的飛秒激光成絲自聚焦閾值，發現了相比于較低重頻、高重頻飛秒激光脈沖在空氣中傳輸自聚焦閾值更低、更容易成絲的新規律，數值模擬結果證實了實驗規律的準確性。這項工作為自聚焦的研究提供了新的思路，在深入理解高重頻飛秒激光絲特征方面具有重要意義。 圖 2. 重復頻率為 (a) 1 kHz、(b) 500 Hz、(c) 100 Hz、(d) 50 Hz 時，光絲誘導熒光信號的峰值位置（雙峰擬合）與脈沖能量的函數關系。紅色擬合線之間的交點表示自聚焦閾值。(e) 使用傳統高斯擬合（藍色）和雙峰擬合（紅色）得到的自聚焦閾值與重頻的函數關系。
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