近日，精密光譜科學與技術國家重點實驗室吳健教授團隊在空氣激光的結構化研究中取得重要進展，研究成果以“Generation of vortex N2+ lasing”為題，於2023年5月31日發表在光學頂級期刊 Optica。論文以0為第一完成單位，吳健教授為通訊作者，物理與電子科學學院2020級本科生胡悅為論文第一作者。

　　該團隊利用攜帶軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的近紅外飛秒激光脈衝泵浦氮氣分子，首次實現了渦旋氮氣離子激光的產生，為可切換波長高亮度遠程結構光場產生提供了一種新方案。

Optica在線刊發吳健教授團隊研究成果

　　傳統的光場調控通常局限於某個特定的自由度，如偏振、頻率等。然而，通過在時間與空間上協同調整光的多個自由度，可獲得各種新奇複雜的結構光。按需“定製”的結構光在跨學科領域展現了強大應用潛力：如，“甜甜圈”形狀的空心光束是實現超越衍射極限的受激發射損耗顯微鏡（STED）的關鍵點（2014年諾貝爾化學獎），矢量渦旋光束利用其特有的復用能力與神奇的波前自愈特性實現遠程大容量通信等等。儘管如此，在更快的時間尺度、更大的空間範圍操控光場仍是一個挑戰（如在飛秒的超快時間尺度、在野外超大空間範圍）。

　　得益激光成絲的長傳播距離和光與物質相互作用的即時響應，飛秒強激光脈衝誘導的各種非線性光學過程能夠為遠程超快結構光提供工具包：我們可以在光源處“定製”，即對泵浦光進行整形，再通過非線性光學效應，將泵浦光中構建好的結構轉移到所需頻率的新生信號光。這種從泵浦光到信號光的結構轉移已在廣泛的非線性光學過程中被觀察到：如四波混頻、受激拉曼散射和高次諧波產生等。遺憾的是，這些過程僅能在某些特定介質（如鹼蒸汽、稀有氣體）中發生，這給控制自由空間中的結構光帶來了困難。

　　作為一種出現在尋常大氣中的新型無諧振腔式激光，空氣激光引起了人們的興趣。它以無處不在的空氣作為增益介質，利用強激光超短脈衝的遠程激發作用，可在大氣中任意位置隨時產生高亮度激光。其中，氮氣離子激光由於其高亮度及豐富可調諧的波長備受關註。這得益於空氣中氮氣分子的高含量與氮氣分子的複雜振轉能級結構。這為構造一種波長可調、性質優異的自由空間遠程結構光源提供了可能。

實驗設計原理

　　吳健教授團隊從最經典的一種結構光——光學渦旋出發，利用攜帶軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的近紅外飛秒激光脈衝電離與泵浦氮氣分子，首次觀察到了軌道角動量與渦旋結構從泵浦光到新生激光信號的轉移，實現了渦旋氮氣離子激光的產生。

產生的渦旋氮氣離子激光

　　更令人驚喜的是，在高泵浦脈衝能量下，相比於高斯光束作為泵浦光的情況，渦旋泵浦可以達到更高的氮氣離子激光產生效率：泵浦光的渦旋結構降低了光絲的軸上等離子體密度，減少了等離子體對激光脈衝的散焦作用，打破了固有的光強鉗制效應。這得益於渦旋泵浦光誘導的飛秒光絲在高泵浦脈衝能量下表現出空間尺度更長，能量分佈更均勻的特性。氮氣離子激光強度較低一直是阻礙其進入廣泛應用的問題，這一發現為氮氣離子激光的放大提供了一種巧妙的方案：通過對泵浦光進行精細調整，來改變飛秒光絲的空間分佈，最終優化出最適宜氮氣離子激光產生的條件。

高泵浦能量下更長更均勻的飛秒光絲

　　該項研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金的支持與資助。

　　美國光學學會是光學領域權威的國際性學術組織，其中Optica作為美國光學學會同名旗艦期刊，屬於光學領域頂級期刊，即時影響因子10.644。

附：

　　論文鏈接：Generation of vortex N2+ lasing

圖文｜吳健教授課題組　來源丨物理與電子科學學院　通聯｜李丹　編輯丨杜玥　編審丨郭文君