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)部不對稱性的實驗場景。鈦寶石飛秒激光在空氣中聚焦產(chǎn)生光絲，另一束探測光穿過光絲中的等離子體，其波前會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)部等離子體的非對稱分布。這種非對稱分布源于飛秒激光光斑本身的不對稱性，而這一特性又會進一步引起超連續(xù)輻射的空間非對稱分布。

1、背景介紹

飛秒激光成絲技術(shù)因其獨特的物理特性，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如激光雷達、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調(diào)控激光模式，進而實現(xiàn)對光絲形態(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稱特性的光束。而利用艾里光束、像散光束等可以產(chǎn)生非對稱形態(tài)的光絲及相應(yīng)的超連續(xù)輻射、太赫茲輻射等。實際應(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)部光強和等離子體的分布，進而直接影響后續(xù)光絲誘導(dǎo)物理過程，如太赫茲、超連續(xù)、空氣激光等。相較于上述主動調(diào)控手段，非理想光束對光絲形態(tài)的影響更加復(fù)雜和精細。因此，理解和量化非理想光斑模式對成絲特性的影響，對于提升光絲相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價值。本研究圍繞非理想光斑模式對于光絲空間分布的影響展開工作，對于解釋、調(diào)控基于光絲產(chǎn)生的物理過程具有重要指導(dǎo)作用。

2、創(chuàng)新工作

南開大學(xué)劉偉偉教授團隊基于等離子體衍射技術(shù)，實現(xiàn)了對于光絲內(nèi)部不對稱分布的觀測與解釋。由于光絲產(chǎn)生的等離子體會引起局部環(huán)境折射率發(fā)生改變，當(dāng)一束探測光穿過等離子體時，這部分折射率改變量被編碼至探測光波前相位，從而產(chǎn)生衍射。由于飛秒激光光斑的非對稱性，光絲所產(chǎn)生的衍射條紋呈現(xiàn)明顯的彎曲與不對稱現(xiàn)象，如圖1所示，反映出光絲內(nèi)部等離子體密度的非對稱性空間分布，論文中通過數(shù)值模擬的方法進一步驗證了這一現(xiàn)象。

圖1 光絲等離子體衍射測量。(a)等離子體衍射實驗裝置示意圖；(b)800 nm激光光斑；(c)~(f)不同峰值功率下的非對稱衍射條紋

由于實際應(yīng)用中光斑偏離理想模式的問題難以避免，因此對于上述觀測到的非對稱性分布進行調(diào)控顯得尤為重要。本文通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)這種非對稱性受到外部聚焦條件的影響。通過改變聚焦透鏡數(shù)值孔徑（NA）可以調(diào)控光絲內(nèi)光強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，不對稱性更突出。當(dāng)數(shù)值孔徑小于1/1000時，光絲變長，同時光強和等離子體密度降低，光斑的非對稱性對于光絲內(nèi)部光強和等離子體分布的非對稱性影響減弱。因此，在實際應(yīng)用中，使用長焦透鏡或小孔徑光束，可有效抑制由非理想光斑引發(fā)的非對稱性成絲現(xiàn)象。

圖2 不同數(shù)值孔徑下非對稱光斑成絲情況。(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)部的不對稱特性對于光絲輻射的超連續(xù)譜具有影響。文中通過改變透鏡裝調(diào)條件這一簡單方法，實現(xiàn)了對光絲非對稱分布的顯著調(diào)控，并進一步實現(xiàn)了對超連續(xù)空間分布的調(diào)控。該現(xiàn)象對于理解和調(diào)控基于光絲所產(chǎn)生的物理過程，如超連續(xù)、太赫茲等，具有重要應(yīng)用價值。

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

通過等離子體衍射實驗及數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了飛秒激光成絲過程中的非對稱空間分布。通過等離子體衍射條紋的彎曲分布，證明激光模式的非對稱性造成成絲后光強與等離子體的非對稱性空間分布。并提出通過改變數(shù)值孔徑、透鏡裝調(diào)等外部聚焦條件可有效增強或抑制非對稱分布，并進一步實現(xiàn)對于超連續(xù)遠場空間分布的調(diào)控。研究結(jié)果對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，團隊將圍繞光絲輻射超連續(xù)、太赫茲等的調(diào)控及其相關(guān)物理機制開展深入研究。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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