一、引言

高強(qiáng)度飛秒激光在介質(zhì)中傳輸時，在多種非線性效應(yīng)的共同作用下，可以克服衍射極限進(jìn)行自引導(dǎo)傳輸，并產(chǎn)生等離子體通道。這一現(xiàn)象被稱為飛秒激光成絲。憑借鉗制光強(qiáng)高、傳輸距離遠(yuǎn)、可在復(fù)雜大氣環(huán)境中穿行的優(yōu)勢，飛秒激光成絲在遠(yuǎn)程大氣污染監(jiān)測方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

光絲激光雷達(dá)技術(shù)可以實現(xiàn)大氣多物態(tài)、多組分同步監(jiān)測，包括對金屬、鹽氣溶膠、氣體、液體、生物成分等的監(jiān)測，有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)大氣污染探測激光雷達(dá)的不足。面向大氣污染遠(yuǎn)程探測的應(yīng)用需求，提高探測信號的強(qiáng)度及信噪比對光絲激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

一方面，研究者們在實驗上通過多種手段調(diào)控光絲品質(zhì)，增強(qiáng)光絲與探測物質(zhì)相互作用強(qiáng)度，提升遠(yuǎn)程熒光信號水平。例如，通過引入負(fù)啁啾補(bǔ)償大氣色散、利用時空聚焦增強(qiáng)光絲、引入輔助脈沖延長等離子體壽命、通過相位補(bǔ)償離軸系統(tǒng)的像散等。而光絲誘導(dǎo)熒光的側(cè)向分布是表征光絲品質(zhì)的重要方式，可以獲得光絲內(nèi)激光強(qiáng)度、等離子體密度及溫度等重要參數(shù)。相比于其他探測方法，這種方法具有非侵入、原位測量的優(yōu)勢。

另一方面，通過對收集裝置的優(yōu)化，也可以提高探測信噪比。利用光絲激光雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)程大氣污染探測時，往往采用背向收集的方式，因此光絲誘導(dǎo)熒光的背向分布對探測裝置的視場角及尺寸設(shè)計具有實際應(yīng)用價值。此外，前向及背向空氣激光是遠(yuǎn)程遙感技術(shù)的理想光源，其遠(yuǎn)場空間分布，尤其是發(fā)散角和方向性，對于遠(yuǎn)程應(yīng)用具有重要意義。

南開大學(xué)劉偉偉教授團(tuán)隊綜述了光絲誘導(dǎo)熒光在側(cè)向、背向及前向三個重要方位的空間分布的研究進(jìn)展，詳細(xì)討論了基于側(cè)向分布表征光絲內(nèi)光強(qiáng)及等離子體分布的方法，以及實驗條件對熒光空間分布的影響，并對放大自發(fā)輻射現(xiàn)象及前向、背向遠(yuǎn)場空間分布的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。最后對飛秒激光成絲誘導(dǎo)熒光空間分布的研究趨勢進(jìn)行了展望。

二、飛秒激光成絲誘導(dǎo)熒光的側(cè)向分布

2.1 熒光側(cè)向分布及表征

飛秒激光成絲誘導(dǎo)熒光的側(cè)向分布被廣泛應(yīng)用于表征光絲、測量光絲內(nèi)超快物理過程及調(diào)控光絲。

多項基礎(chǔ)研究表明，飛秒激光成絲過程中，激光能量、光斑尺寸、脈寬及啁啾、外部聚焦條件等實驗參數(shù)，會直接對光絲的長度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響熒光的側(cè)向分布。除此之外，近期的研究發(fā)現(xiàn)激光偏振態(tài)引起的粒子碰撞、重復(fù)頻率引起的熱效應(yīng)、以及光絲內(nèi)分子排列等也會影響光絲輻射熒光信號的長度和強(qiáng)度。

由于光絲內(nèi)部光強(qiáng)，在空氣中可達(dá)到1014 W/cm2量級，無法對其進(jìn)行直接測量。利用熒光光強(qiáng)和譜線寬度與光絲內(nèi)光強(qiáng)、等離子體的關(guān)系，可以通過測量側(cè)向熒光信號表征光絲的相關(guān)參數(shù)。南開大學(xué)劉偉偉教授團(tuán)隊基于此發(fā)展了計算光絲內(nèi)部光強(qiáng)的經(jīng)驗公式，并通過對光絲進(jìn)行可視化研究，直接觀測到多次聚焦及多絲競爭過程。該方法具有原位測量、非侵入的優(yōu)勢。

2.2 基于熒光側(cè)向分布的光絲調(diào)控

實驗上，經(jīng)常通過熒光的側(cè)向分布判斷光絲的空間位置及調(diào)控質(zhì)量。

光絲的調(diào)控主要是通過時空相位整形的方式對光絲的空間位置、長度、強(qiáng)度及數(shù)量進(jìn)行調(diào)控。簡單的調(diào)控方式是通過外部聚焦條件及激光參數(shù)影響光絲起始位置及長度。

利用時空相位調(diào)控，如控制雙脈沖時間延遲、利用軸錐鏡、空間光調(diào)制器等，可以有效延長光絲[圖1（a-c）]，甚至改變光絲形狀[圖1（d-e）]。時空聚焦法可以增強(qiáng)光絲及熒光信號。多絲的抑制和有序分布主要依賴于空間相位對熱點的調(diào)控，如使用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、相位板、空間光調(diào)制器、軸錐鏡等。

圖1 時空相位整形調(diào)控光絲

三、飛秒激光成絲誘導(dǎo)熒光的背向分布

在大氣遠(yuǎn)程探測技術(shù)中，往往采用背向探測的方式，收集裝置與發(fā)射裝置位于同一端。因此背向光信號的激發(fā)機(jī)制、 空間分布及傳輸特性，對于遠(yuǎn)程信號的收集具有重要意義。

2003年，Laval 大學(xué)的 Chin 課題組發(fā)現(xiàn)了光絲中氮氣熒光的放大自發(fā)輻射現(xiàn)象（ASE），隨后以光絲作為增益介質(zhì)產(chǎn)生空氣激光的物理機(jī)制與調(diào)控方法被廣泛研究。光絲中的ASE 現(xiàn)象主要表現(xiàn)為背向熒光信號強(qiáng)度隨光絲長度呈指數(shù)增長（圖2），廣泛存在于O2、以及CN、OH、NH、CH化合物中。

圖2 背向ASE增益曲線

光絲誘導(dǎo)熒光的背向空間分布，尤其是角分布，對于遠(yuǎn)程信號探測中收集裝置的視場角及尺寸具有重要意義。

劉偉偉教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)光絲誘導(dǎo)的背向熒光信號具有一定的發(fā)散角。背向氮氣熒光信號主要集中于±10°范圍內(nèi)[圖3（a-b）]，且不同角度所觀測到的熒光信號具有不同的增益系數(shù)。NaCl氣溶膠熒光信號受到氣溶膠濃度的影響，濃度越高，背向發(fā)散角越大[圖3（c）]。

理論模擬表明影響氣溶膠背向熒光角分布的主要機(jī)制是米散射[圖3(d)]。

圖3 光絲誘導(dǎo)的背向氮氣熒光及NaCl氣溶膠熒光信號的空間分布情況

四、飛秒激光成絲誘導(dǎo)熒光的前向分布

依靠光絲產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過使用種子光，可以使光絲作為增益介質(zhì)產(chǎn)生前向的受激輻射。種子光可以是外加激光光束，也可以是通過光絲自身豐富的非線性光頻轉(zhuǎn)換效應(yīng)輻射出的諧波或超連續(xù)。2011年，Yao等人提出中紅外飛秒激光泵浦的氮氣激光，此后，各類空氣激光的研究相繼展開。

空氣激光無需光學(xué)諧振腔，可憑借光絲的特性在遠(yuǎn)程產(chǎn)生，具有良好的方向性(圖4)，已成為遠(yuǎn)場產(chǎn)生新激光源的重要方式。

圖4 前向空氣激光的遠(yuǎn)場空間分布

五、總結(jié)與展望

對光絲誘導(dǎo)熒光空間分布的研究在理解光絲內(nèi)的物理化學(xué)機(jī)制、光絲調(diào)制、空氣激光的產(chǎn)生及大氣遠(yuǎn)程探測等方面均具有重要的價值。目前，飛秒激光成絲誘導(dǎo)熒光技術(shù)在大氣污染探測方面的應(yīng)用，仍存在一些重要挑戰(zhàn)。

首先，物理機(jī)制復(fù)雜，仍然需要深入理解，如光絲與大氣中各種分子、粉塵及氣溶膠等相互作用、激發(fā)熒光的物理機(jī)制。對空氣激光增益放大的物理機(jī)制進(jìn)行研究在遠(yuǎn)程大氣污染探測方面具有重要作用。

其次，在實際應(yīng)用中，復(fù)雜的大氣環(huán)境對熒光空間分布的影響機(jī)制尚未明晰。其中包括湍流、大氣溫濕度分布、氣壓分布、大氣散射與吸收等多物理場耦合作用。

最后，如何通過調(diào)控光絲中光強(qiáng)的時空分布而增強(qiáng)熒光信號，進(jìn)而產(chǎn)生遠(yuǎn)程、高品質(zhì)的光絲，并提升遠(yuǎn)程探測的信噪比、降低污染物的探測極限，仍然需要廣大科研人員深入研究。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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