飛秒強(qiáng)激光脈沖在空氣中傳播時(shí)會呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性自聚焦效應(yīng)，自聚焦后的光強(qiáng)會導(dǎo)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(dāng)激光的自聚焦效應(yīng)和等離子體的散焦效應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，便會形成穩(wěn)定的自引導(dǎo)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(guān)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(shí)際應(yīng)用。例如利用其導(dǎo)電性，有可能實(shí)現(xiàn)激光引導(dǎo)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙感、對大氣污染進(jìn)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(shí)產(chǎn)生的大量離子會起到凝結(jié)核的作用，導(dǎo)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(xué)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(yīng)用對其壽命有著很高的要求，例如激光引雷、遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)電性和電離作用的各種技術(shù)的實(shí)用化造成了嚴(yán)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(fù)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(fù)刷新電離通道，從而延長其壽命。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了多年堅(jiān)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(fù)頻率脈沖序列展寬后，不加以選單就進(jìn)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(shí)現(xiàn)了較大突破[X. L. Liu, et al., Opti. Express, 20, 5968 (2012)]。隨后，為了進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究工作為產(chǎn)生實(shí)用化的長距離空氣等離子體通道開辟了一條切實(shí)可行的技術(shù)途徑。另一方面，這種超高重頻的飛秒強(qiáng)激光脈沖序列是一種新型的光源，在激光微加工，強(qiáng)THz輻射的產(chǎn)生，激光遙感等領(lǐng)域也具備潛在的優(yōu)勢。 相關(guān)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(shù)支撐項(xiàng)目，973項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金委以及中國科學(xué)院的支持。
圖1. 激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yù)放大器后；（c）第二預(yù)放大器后；（d）主放大器的兩路泵浦激光同時(shí)抽運(yùn)時(shí)的脈沖序列輸出；（e）主放大器的兩路泵浦激光輪流抽運(yùn)，并對其相對延時(shí)進(jìn)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(shí)間反映了等離子體通道的壽命（約80ns）.
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