飛秒強激光脈沖在空氣中傳播時會呈現(xiàn)出很強的非線性自聚焦效應，自聚焦后的光強會導致空氣中的分子發(fā)生場致電離，形成具有一定橫向密度梯度的等離子體。當激光的自聚焦效應和等離子體的散焦效應達到動態(tài)平衡時，便會形成穩(wěn)定的自引導傳輸，這種傳輸現(xiàn)象也被稱作“成絲”。成絲的飛秒激光會在空氣中產(chǎn)生狹長的電離通道，其長度可以延伸到公里量級。飛秒激光在大氣中的成絲自從1995年被發(fā)現(xiàn)之后，一直受到極高的關注[A. Braun, et al., Opt. Lett. 20, 73 (1995)]，主要原因是電離通道的一些特殊性質(zhì)能夠衍生出許多潛在的實際應用。例如利用其導電性，有可能實現(xiàn)激光引導閃電或者電磁輻射[L. M. Ball, Appl. Opt. 13, 2292 (1974)；M. Chateauneuf，et al., Appl. Phys. Lett. 92, 091104 (2008)]；利用成絲過程中產(chǎn)生的超連續(xù)白光輻射可以實現(xiàn)遠距離遙感、對大氣污染進行監(jiān)測等[J. Kasparian, et al., Science 301, 61 (2003)]; 利用電離通道內(nèi)激光場與等離子體的超快相互作用可以產(chǎn)生寬譜THz輻射[C. C. Cheng, et al., Phys. Rev. Lett. 87, 213001 (2001)]; 飛秒激光在富含水蒸汽的空氣中成絲傳輸時產(chǎn)生的大量離子會起到凝結(jié)核的作用，導致水汽凝結(jié)成小水滴，在低溫環(huán)境下還會生成雪花，因此有學者提出可以利用飛秒激光來增加云層中的水滴或冰晶含量，從而增加降水量[P. Rohwetter, et al., Nat. Photonics 4, 451(2010) ; J. Ju, et al., Opt. Lett. 37, 1214 (2012)]。
電離通道的一些重要應用對其壽命有著很高的要求，例如激光引雷、遠距離傳導電磁輻射、激光人工增雨雪等。然而電離通道產(chǎn)生后，由于電子和離子復合以及中性分子對電子的吸附作用，電子密度會迅速衰減，實驗測得單脈沖飛秒激光產(chǎn)生的電離通道的壽命只有幾個納秒。這種局面對基于通道導電性和電離作用的各種技術的實用化造成了嚴重制約。因此，如何延長電離通道的壽命成為十分重要的研究課題。為了維持電離通道的電子密度，必須不斷地向通道中注入能量來阻止或延緩電子的復合和吸附作用。目前比較可行的辦法是采用間隔很短的飛秒脈沖序列反復刷新電離通道，從而延長其壽命。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實驗室（籌）L05組的魯欣副研究員及其合作者在產(chǎn)生長壽命等離子體通道方面進行了多年堅持不懈的探索，他們于2012年首次將飛秒鎖模振蕩器輸出的“天然”高重復頻率脈沖序列展寬后，不加以選單就進行多級放大, 成功獲得了由約20個mJ量級的飛秒脈沖組成的脈沖序列, 脈沖間隔為14.8 ns, 從而在有效脈沖數(shù)量上實現(xiàn)了較大突破[X. L. Liu, et al., Opti. Express, 20, 5968 (2012)]。隨后，為了進一步改善飛秒激光脈沖序列的質(zhì)量，通過研究組之間的合作，采用L07組自主研制的350MHz的飛秒振蕩器替換了“極光II號”系統(tǒng)原有的種子源。他們對新產(chǎn)生的超高重頻飛秒種子脈沖序列進行了多級的多通放大，并且在主放大器中采用兩路泵浦脈沖先后抽運激光晶體的方法成功抑制了脈沖之間的增益競爭，最終在國際上首次獲得了間隔僅2.9 ns，能量分布比較均勻的高品質(zhì)飛秒脈沖序列（見圖1e）。實驗中將這樣的飛秒脈沖序列經(jīng)長焦距透鏡聚焦在空氣中產(chǎn)生了壽命60~80ns的電離通道（見圖2，與單脈沖電離通道相比，壽命提高30~40倍）。該項研究工作為產(chǎn)生實用化的長距離空氣等離子體通道開辟了一條切實可行的技術途徑。另一方面，這種超高重頻的飛秒強激光脈沖序列是一種新型的光源，在激光微加工，強THz輻射的產(chǎn)生，激光遙感等領域也具備潛在的優(yōu)勢。 相關研究論文已于2015年10月在期刊Scientific Reports上發(fā)表。
上述工作得到了科技部技術支撐項目，973項目，國家自然科學基金委以及中國科學院的支持。
圖1. 激光系統(tǒng)的結(jié)構示意圖和飛秒脈沖序列在不同放大階段的光電二極管信號。（a）振蕩器信號；（b）第一預放大器后；（c）第二預放大器后；（d）主放大器的兩路泵浦激光同時抽運時的脈沖序列輸出；（e）主放大器的兩路泵浦激光輪流抽運，并對其相對延時進行優(yōu)化后得到的均勻脈沖序列。
圖2. 在等離子體通道的兩端加載直流電壓后得到的電流信號，電流持續(xù)時間反映了等離子體通道的壽命（約80ns）.
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