高功率超快激光在透明介質(zhì)傳輸中不產(chǎn)生明顯的發(fā)散，其傳輸距離可以遠遠超越衍射極限，同時會產(chǎn)生等離子通道(圖1(a))。該通道通常稱為“光絲"，這一過程即為成絲現(xiàn)象。同時激光光譜會極大展寬(圖1(b))，可以覆蓋從微波到紫外的超寬范圍，被稱為白色激光或者超連續(xù)譜。

　　雖然1964年人們就在實驗中發(fā)現(xiàn)了激光成絲現(xiàn)象，但直到1994年Gérard Mourou教授(諾貝爾物理學獎獲得者)課題組發(fā)現(xiàn)空氣中的成絲現(xiàn)象，人們才開始重視激光成絲現(xiàn)象在大氣遙感、超快激光技術(shù)、人工干預(yù)天氣、激光超精細加工、強太赫茲波源等領(lǐng)域的研究與潛在應(yīng)用，研究熱潮一直持續(xù)至今。

　　圖1 空氣和玻璃中的超快激光成絲現(xiàn)象

　　超快激光成絲現(xiàn)象是各種光學效應(yīng)的集大成者

　　自1964年Chiao等人提出基于衍射和光克爾自聚焦平衡的自陷模型開始，人們對于成絲現(xiàn)象物理機制的認識不斷在豐富。1995年Mourou教授課題組提出基于光克爾自聚焦與等離子體散焦平衡的自引導(dǎo)模型。1999年作者團隊提出移動焦點模型。2004年亞利桑那大學Moloney教授課題組提出動態(tài)補償機制。

　　目前已知超快激光成絲動力學過程是眾多光學效應(yīng)共同作用的結(jié)果，包括衍射、色散、自聚焦、自相位調(diào)制、自陡峭、多光子/隧穿電離、受激放大、時空耦合、拉曼效應(yīng)、分子排列、多光子吸收、高次諧波、Cherenkov輻射、多絲競爭(圖2)等。

　　隨著研究工作的推進，研究人員不斷觀察到更多物理現(xiàn)象。2018年瑞士日內(nèi)瓦大學Wolf教授課題組發(fā)現(xiàn)光絲中激光激發(fā)了分子的Kramers-Henneberger態(tài)。2020年作者團隊發(fā)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)分子排列與分子軌道角動量耦合產(chǎn)生的分子熒光空間不均勻分布。

　　圖2 成絲產(chǎn)生白色激光與多絲干涉產(chǎn)生彩色條紋

　　超快激光成絲現(xiàn)象是跨時空尺度的旅行者

　　超快激光在成絲過程中會發(fā)生強烈的時空演變。A. Couairon等人在2009年提出激光脈沖寬度在光絲中會被壓縮到亞周期量級的結(jié)論，作者團隊在2012年從實驗上證明了該結(jié)論。而隧穿電離更是亞飛秒量級的超快過程，激光誘導(dǎo)分子排列發(fā)生在皮秒尺度，等離子體演變多在納秒尺度。美國馬里蘭大學Milchberg和作者團隊分別在2014年和2018年觀測到了弛豫時間長達2 ms和200 ms的光絲誘導(dǎo)空氣光波導(dǎo)和氣泡產(chǎn)生。

　　在空間尺度方面，光絲直徑在空氣中是100 μm左右，在液體或玻璃中則只有幾微米。2003年歐洲Teramobile課題組報道了成絲現(xiàn)象可延伸到平流層。2016年，A. Couairon等人通過理論模擬證明從400公里外衛(wèi)星軌道發(fā)射激光，可以在地面附近產(chǎn)生光絲(圖3)。

　　因此，超快激光成絲現(xiàn)象是不折不扣的跨時空尺度旅行者，為人們從不同時空尺度獲取物質(zhì)信息、改造物質(zhì)提供了不可替代的工具。

　　圖3 超遠程產(chǎn)生超快激光成絲現(xiàn)象

　　超快激光成絲現(xiàn)象是條件研究方法的挑戰(zhàn)者

　　成絲現(xiàn)象研究不僅涉及光學效應(yīng)多、時空尺度跨度大，而且處于超高激光強度和多樣化的環(huán)境等的微觀與宏觀條件中，極富挑戰(zhàn)。

　　實驗表征的最大困難在于光絲中的激光強度足以打壞任何探測器，無法利用各種常規(guī)儀器進行直接測量。為了解決這一困難，人們嘗試了多種間接測量方法。

　　玻璃板燒蝕深度、熱敏紙灰度(圖4(a))可對光絲內(nèi)光強空間分布做定性分析，高次諧波截止頻率、分子熒光測量(圖4(b))則可應(yīng)用于光強的定量測量，后者的優(yōu)勢在于原位和非侵入式，甚至可應(yīng)用于激光光強的遠程探測。

　　基于光絲誘導(dǎo)熒光的“可視化"研究方法也是測量光絲長度和直徑的最常見技術(shù)途徑之一。另外，光絲產(chǎn)生的超聲信號、微波信號都可以應(yīng)用于光絲長度的表征。

　　圖4 通過不同實驗方法表征光絲內(nèi)激光強度。(a)通過熱敏紙灰度記錄;(b)分子熒光譜法測量

　　此外，成絲過程中的激光脈沖時域變化非常劇烈，其測量問題一直以來都未能很好地解決。2012年Levis等提出基于瞬態(tài)頻率分辨光快門(TG-FROG)技術(shù)，可以實現(xiàn)光絲內(nèi)激光時域包絡(luò)和相位的原位測量。實驗結(jié)果展現(xiàn)了成絲過程中激光脈沖所經(jīng)歷的自陡峭、脈沖分裂、脈沖壓縮等復(fù)雜過程。

　　成絲現(xiàn)象實驗研究的另一項重要內(nèi)容是光學介質(zhì)性質(zhì)變化的表征，尤其是光絲中自由電子密度的測量。研究人員提出了一系列測量手段，如利用導(dǎo)電率、陰影圖、干涉圖、等離子衍射、超聲波探測、原子熒光譜、THz時域光譜等進行測量。

　　理論研究方面的挑戰(zhàn)則主要在于大時空跨度所帶來的數(shù)值模擬窗口與分辨率的平衡。在物理模型構(gòu)建方面，不僅要考慮激光非線性傳輸方程，還需要耦合電離速率方程、流體熱力學馳豫方程、大氣吸收散射模型、分子原子量子物理模型等。

　　面對以上挑戰(zhàn)，超快激光成絲研究需要多學科之間緊密合作與交叉的“頭腦風暴"。

　　超快激光成絲現(xiàn)象是自我調(diào)控的優(yōu)化大師

　　超快激光成絲現(xiàn)象具有令人驚訝的自我調(diào)控能力，眾多傳統(tǒng)的光學概念，其最核心的物理機制是光克爾自聚焦與等離子體散焦之間的動態(tài)平衡。

　　超快激光成絲的光絲光強主要由光學介質(zhì)的非線性折射率和電離速率決定，與入射能量、聚焦距離都沒有特定關(guān)系，因此約為常數(shù)，這被稱為光強鉗制效應(yīng)。實驗證明光絲內(nèi)光強抖動不高于0.5 % (self-stablization)，如圖5所示，這對于要求穩(wěn)定高光強的非線性光學應(yīng)用吸引力。

　　由于光克爾自聚焦的自由空間模式濾波能力，光絲內(nèi)的光強在空間上主要呈現(xiàn)接近理想高斯形狀對稱分布，可稱為空間模式自改善現(xiàn)象(self-mode-cleaning)。正是利用這一性質(zhì)，超快激光成絲現(xiàn)象已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機、顯示器、汽車等工業(yè)領(lǐng)域中的高效高質(zhì)量玻璃切割工藝中。

　　非線性折射率之間的平衡作用，弱化了光絲內(nèi)的群速度色散，顯著提高了非線性作用的相干長度(self-phase-locking)，這對于高次諧波、四波混頻等激光頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)具有重要意義。不僅如此，激光脈沖在光絲內(nèi)會發(fā)生的自壓縮現(xiàn)象(self-pulse-compression)，是目前獲得高能量少數(shù)周期激光脈沖的優(yōu)選技術(shù)途徑之一。值得一提的是，這一技術(shù)目前已經(jīng)實現(xiàn)了商品化。

　　圖5 光絲內(nèi)的四波混頻過程產(chǎn)生自壓縮的新頻段激光脈沖，能量穩(wěn)定性突破傳統(tǒng)非線性光學極限

　　超快激光成絲現(xiàn)象是前沿應(yīng)用的探索者

　　超距產(chǎn)生穩(wěn)定的超高光強和超寬連續(xù)譜是超快激光成絲現(xiàn)象特色的個性標簽。激光超精細加工的實現(xiàn)和超快激光脈沖的產(chǎn)生已經(jīng)成功應(yīng)用于商業(yè)中。目前關(guān)注的是成絲現(xiàn)象在大氣中的遠程應(yīng)用，包括空氣激光(圖6)、大氣污染探測、人工干預(yù)天氣(圖7(a))甚至空間通信等。

　　圖6 光絲中的分子熒光受激放大效應(yīng)(空氣激光)

　　強太赫茲波的產(chǎn)生是氣體成絲現(xiàn)象的另外一個熱點應(yīng)用(圖7(b))，它的優(yōu)勢在于THz波脈寬短、峰值強度高(電場強度已達21 MV/cm)、頻譜范圍覆蓋寬(最高達到200 THz)。

　　圖7 成絲現(xiàn)象有望應(yīng)用于(a)人工降雨(雪)、(b)遠程強THz波產(chǎn)生

　　對于不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，超快激光成絲現(xiàn)象研究的主要挑戰(zhàn)在于對光絲的相干調(diào)控，其中包括光絲長度或距離、多絲控制、等離子密度等。在這方面，啁啾、透鏡聚焦等宏觀調(diào)控方法結(jié)合相位板、時空聚焦等微觀相位整形調(diào)控方法是主流發(fā)展趨勢。

　　在理論研究方面，成絲現(xiàn)象研究需要解決的主要挑戰(zhàn)是建立跨時空尺度的宏觀-微觀統(tǒng)一的物理模型，實現(xiàn)高效耦合超快激光傳輸非線性波動方程、流體動力學方程以及光分子動力學機制等不同模型的數(shù)值模擬方法。

　　總之，因為其豐富的物理內(nèi)涵、廣闊的應(yīng)用前景，超快激光成絲現(xiàn)象研究吸引著光學、物理、化學、材料等不同領(lǐng)域的有志者投身其中，共創(chuàng)更加多彩和激動人心的未來。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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