封面展示了利用等離子體衍射技術(shù)研究飛秒激光成絲內(nèi)部不對(duì)稱(chēng)性的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。鈦寶石飛秒激光在空氣中聚焦產(chǎn)生光絲，另一束探測(cè)光穿過(guò)光絲中的等離子體，其波前會(huì)記錄下等離子體的分布情況。由此產(chǎn)生的彎曲衍射條紋表征了光絲內(nèi)部等離子體的非對(duì)稱(chēng)分布。這種非對(duì)稱(chēng)分布源于飛秒激光光斑本身的不對(duì)稱(chēng)性，而這一特性又會(huì)進(jìn)一步引起超連續(xù)輻射的空間非對(duì)稱(chēng)分布。

1、背景介紹

飛秒激光成絲技術(shù)因其獨(dú)特的物理特性，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如激光雷達(dá)、光絲引雷、自由空間激光通信、空氣激光、太赫茲波產(chǎn)生、脈沖壓縮等。光絲內(nèi)光強(qiáng)與等離子體的空間分布特性，直接決定并影響其輻射太赫茲波與超連續(xù)譜等頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程的特性參數(shù)，如空間分布模式、偏振態(tài)、發(fā)散角以及轉(zhuǎn)換效率等。因此研究者廣泛采用光束整形的方式來(lái)調(diào)控激光模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光絲形態(tài)的調(diào)控，如高斯光束、超高斯光束、平頂光束、貝塞爾光束、光束陣列等具有軸對(duì)稱(chēng)特性的光束。而利用艾里光束、像散光束等可以產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)形態(tài)的光絲及相應(yīng)的超連續(xù)輻射、太赫茲輻射等。實(shí)際應(yīng)用中光學(xué)元件面型誤差、熱畸變、衍射效應(yīng)、大氣湍流及非線性波前畸變等非理想因素，均會(huì)導(dǎo)致激光模式偏離理想狀態(tài)。由此影響光絲內(nèi)部光強(qiáng)和等離子體的分布，進(jìn)而直接影響后續(xù)光絲誘導(dǎo)物理過(guò)程，如太赫茲、超連續(xù)、空氣激光等。相較于上述主動(dòng)調(diào)控手段，非理想光束對(duì)光絲形態(tài)的影響更加復(fù)雜和精細(xì)。因此，理解和量化非理想光斑模式對(duì)成絲特性的影響，對(duì)于提升光絲相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。本研究圍繞非理想光斑模式對(duì)于光絲空間分布的影響展開(kāi)工作，對(duì)于解釋、調(diào)控基于光絲產(chǎn)生的物理過(guò)程具有重要指導(dǎo)作用。

2、創(chuàng)新工作

南開(kāi)大學(xué)劉偉偉教授團(tuán)隊(duì)基于等離子體衍射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于光絲內(nèi)部不對(duì)稱(chēng)分布的觀測(cè)與解釋。由于光絲產(chǎn)生的等離子體會(huì)引起局部環(huán)境折射率發(fā)生改變，當(dāng)一束探測(cè)光穿過(guò)等離子體時(shí)，這部分折射率改變量被編碼至探測(cè)光波前相位，從而產(chǎn)生衍射。由于飛秒激光光斑的非對(duì)稱(chēng)性，光絲所產(chǎn)生的衍射條紋呈現(xiàn)明顯的彎曲與不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，如圖1所示，反映出光絲內(nèi)部等離子體密度的非對(duì)稱(chēng)性空間分布，論文中通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。

圖1 光絲等離子體衍射測(cè)量。(a)等離子體衍射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(b)800 nm激光光斑；(c)~(f)不同峰值功率下的非對(duì)稱(chēng)衍射條紋

由于實(shí)際應(yīng)用中光斑偏離理想模式的問(wèn)題難以避免，因此對(duì)于上述觀測(cè)到的非對(duì)稱(chēng)性分布進(jìn)行調(diào)控顯得尤為重要。本文通過(guò)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)這種非對(duì)稱(chēng)性受到外部聚焦條件的影響。通過(guò)改變聚焦透鏡數(shù)值孔徑（NA）可以調(diào)控光絲內(nèi)光強(qiáng)與等離子體的空間分布（如圖2所示）。在緊聚焦條件下，光絲區(qū)域左右兩側(cè)等離子體密度差異更大，不對(duì)稱(chēng)性更突出。當(dāng)數(shù)值孔徑小于1/1000時(shí)，光絲變長(zhǎng)，同時(shí)光強(qiáng)和等離子體密度降低，光斑的非對(duì)稱(chēng)性對(duì)于光絲內(nèi)部光強(qiáng)和等離子體分布的非對(duì)稱(chēng)性影響減弱。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，使用長(zhǎng)焦透鏡或小孔徑光束，可有效抑制由非理想光斑引發(fā)的非對(duì)稱(chēng)性成絲現(xiàn)象。

圖2 不同數(shù)值孔徑下非對(duì)稱(chēng)光斑成絲情況。(a1) (a2) (a3) NA 為1/200；(b1) (b2) (b3) NA為1/500；(c1) (c2) (c3) NA為1/1000；(d1) (d2) (d3) NA 為1/2000

光絲內(nèi)部的不對(duì)稱(chēng)特性對(duì)于光絲輻射的超連續(xù)譜具有影響。文中通過(guò)改變透鏡裝調(diào)條件這一簡(jiǎn)單方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光絲非對(duì)稱(chēng)分布的顯著調(diào)控，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)超連續(xù)空間分布的調(diào)控。該現(xiàn)象對(duì)于理解和調(diào)控基于光絲所產(chǎn)生的物理過(guò)程，如超連續(xù)、太赫茲等，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

圖3 彎曲光絲的產(chǎn)生及其輻射的超連續(xù)譜。(a) ~ (c) 激光光斑在透鏡上偏心-2.5 mm；(d) ~ (f) 激光光斑在透鏡上未偏心0 mm；(g) ~ (i) 激光光斑在透鏡上偏心2.5 mm

3、總結(jié)與展望

通過(guò)等離子體衍射實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了飛秒激光成絲過(guò)程中的非對(duì)稱(chēng)空間分布。通過(guò)等離子體衍射條紋的彎曲分布，證明激光模式的非對(duì)稱(chēng)性造成成絲后光強(qiáng)與等離子體的非對(duì)稱(chēng)性空間分布。并提出通過(guò)改變數(shù)值孔徑、透鏡裝調(diào)等外部聚焦條件可有效增強(qiáng)或抑制非對(duì)稱(chēng)分布，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)于超連續(xù)遠(yuǎn)場(chǎng)空間分布的調(diào)控。研究結(jié)果對(duì)于理解基于光絲所產(chǎn)生的其他物理現(xiàn)象，如超連續(xù)、太赫茲等，提供了重要依據(jù)。在后續(xù)工作中，團(tuán)隊(duì)將圍繞光絲輻射超連續(xù)、太赫茲等的調(diào)控及其相關(guān)物理機(jī)制開(kāi)展深入研究。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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