超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百三十七期)

2024年7月31日

上海光機(jī)所在飛秒激光空氣成絲自聚焦閾值研究方面取得進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，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(jìn)展。相關(guān)研究結(jié)果以“Pulse repetition-rate effect on the critical power for self-focusing of femtosecond laser in air”為題發(fā)表于Optics Express。

飛秒激光成絲產(chǎn)生于克爾自聚焦效應(yīng)與等離子體散焦效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡，在超短脈沖壓縮、太赫茲輻射、大氣遙感、天氣控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。高重頻飛秒激光技術(shù)的發(fā)展為光絲在穿云透霧、人工引雷、激光加工等領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇。近期的研究工作中，團(tuán)隊(duì)聚焦高重頻飛秒激光大氣成絲過程，發(fā)現(xiàn)了高重頻飛秒激光成絲的特性和規(guī)律，（Adv. Photon. Res. 4, 2200338 (2023)）澄清了脈沖累加效應(yīng)對(duì)光強(qiáng)（High Power Laser 11, e46 (2023)）、等離子體密度和溫度的影響機(jī)制（Chin. Opt. Lett. 22, 013201 (2024)），解決了脈沖累加效應(yīng)導(dǎo)致光絲自動(dòng)的瓶頸問題（Light: Sci. & Appl. 13, 42 (2024)）。然而，自聚焦閾值是評(píng)價(jià)成絲過程是否發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)，高重頻依賴的脈沖累加效應(yīng)對(duì)飛秒激光絲自聚焦閾值的影響尚不明確。

在這項(xiàng)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(shù)等證明所提出的方法優(yōu)于傳統(tǒng)的高斯擬合法，可以更為精準(zhǔn)地確定自聚焦閾值。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)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(fā)現(xiàn)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(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了實(shí)驗(yàn)規(guī)律的準(zhǔn)確性。這項(xiàng)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。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市科技項(xiàng)目等支持。

圖 1. 入射能量為 (a) 240 μJ、(b) 280 μJ、(c) 300 μJ 和 (d) 325 μJ 且重復(fù)頻率為 1 kHz 時(shí)光絲誘導(dǎo)軸上熒光信號(hào)。(e) 傳統(tǒng)高斯擬合和雙峰擬合的殘差圖。

圖 2. 重復(fù)頻率為 (a) 1 kHz、(b) 500 Hz、(c) 100 Hz、(d) 50 Hz 時(shí)，光絲誘導(dǎo)熒光信號(hào)的峰值位置（雙峰擬合）與脈沖能量的函數(shù)關(guān)系。紅色擬合線之間的交點(diǎn)表示自聚焦閾值。(e) 使用傳統(tǒng)高斯擬合（藍(lán)色）和雙峰擬合（紅色）得到的自聚焦閾值與重頻的函數(shù)關(guān)系。

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