近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點實驗室研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了高重頻mJ量級飛秒激光成絲大氣成絲過程中激光重復(fù)頻率越高光絲光強(qiáng)越高的現(xiàn)象，并提出了一種基于“低密度孔”的飛秒激光大氣成絲脈沖累加效應(yīng)的物理圖像。相關(guān)論文發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

隨著kHz乃至百kHz重頻飛秒強(qiáng)激光技術(shù)的快速發(fā)展，高重頻飛秒激光大氣成絲為激光加工、穿霧通信、激光成云致雨、激光引雷等應(yīng)用提供了前所未有的機(jī)遇。源于空氣分子毫秒量級的光致熱弛豫過程，高重頻飛秒強(qiáng)激光大氣成絲過程中的脈沖累加效應(yīng)不可避免地會發(fā)生，深入理解脈沖累加效應(yīng)對高重頻激光成絲過程的影響是進(jìn)一步開拓激光大氣成絲新應(yīng)用的關(guān)鍵。圍繞上述關(guān)鍵問題，研究團(tuán)隊利用重頻高達(dá)100kHz、脈沖能量0.4mJ的飛秒激光開展了大氣成絲研究，發(fā)現(xiàn)重頻越高光絲越長，單脈沖熒光減弱，光絲誘導(dǎo)的三次諧波越強(qiáng)，誘導(dǎo)高壓放電擊穿閾值顯著降低，初步提出了高重頻通過脈沖累加效應(yīng)產(chǎn)生了低密度的空氣通道的物理機(jī)制 [Advanced Photonics Research 4, 2200338 (2023)]。

圖1 不同脈沖能量下100Hz和1000Hz重頻飛秒激光大氣成絲光強(qiáng)空間演化的理論計算結(jié)果：(a) 0.1 mJ, (b) 0.2 mJ, (c) 0.7 mJ and (d) 1.2 mJ。

在本項工作中，研究人員通過數(shù)值模擬計算了單發(fā)飛秒激光脈沖的成絲過程，得到光絲等離子體密度的空間分布，根據(jù)等離子體密度計算等離子體的復(fù)合熱，結(jié)合熱傳導(dǎo)方程得到不同重復(fù)頻率下光絲誘導(dǎo)的“低密度孔”情況。通過“低密度孔”修正飛秒激光脈沖非線性傳輸數(shù)值模擬方程的相關(guān)系數(shù)，從而得到不同重頻激光脈沖的成絲結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了飛秒強(qiáng)激光大氣成絲光強(qiáng)隨重頻升高而增大的現(xiàn)象。通過測量光絲誘導(dǎo)的氮氣分子和氮氣離子熒光表征光絲內(nèi)部的光強(qiáng)，實驗上證實了理論預(yù)期，成功地解釋了不同重復(fù)頻率飛秒激光脈沖誘導(dǎo)大氣光絲內(nèi)部光強(qiáng)的變化規(guī)律，為深入理解高重頻飛秒激光大氣成絲、開拓其新應(yīng)用提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

圖2 100Hz和1000Hz重頻激光非線性傳輸平均強(qiáng)度隨激光脈沖能量變化（a）和激光脈沖能量為1.2mJ時,光絲內(nèi)部光強(qiáng)隨激光重頻變化（b）的實驗結(jié)果。（c）和（d）為對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。(e) 不同重復(fù)頻率下低密度區(qū)的空氣分子密度分布情況。