一、引言

高強度飛秒激光在介質中傳輸時，在多種非線性效應的共同作用下，可以克服衍射極限進行自引導傳輸，并產生等離子體通道。這一現象被稱為飛秒激光成絲。憑借鉗制光強高、傳輸距離遠、可在復雜大氣環境中穿行的優勢，飛秒激光成絲在遠程大氣污染監測方面展現出巨大的優勢。

光絲激光雷達技術可以實現大氣多物態、多組分同步監測，包括對金屬、鹽氣溶膠、氣體、液體、生物成分等的監測，有望彌補傳統大氣污染探測激光雷達的不足。面向大氣污染遠程探測的應用需求，提高探測信號的強度及信噪比對光絲激光雷達技術發展至關重要。

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

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

南開大學劉偉偉教授團隊綜述了光絲誘導熒光在側向、背向及前向三個重要方位的空間分布的研究進展，詳細討論了基于側向分布表征光絲內光強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，并對放大自發輻射現象及前向、背向遠場空間分布的研究進展進行了介紹。最后對飛秒激光成絲誘導熒光空間分布的研究趨勢進行了展望。

二、飛秒激光成絲誘導熒光的側向分布

2.1 熒光側向分布及表征

飛秒激光成絲誘導熒光的側向分布被廣泛應用于表征光絲、測量光絲內超快物理過程及調控光絲。

多項基礎研究表明，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，會直接對光絲的長度產生影響，進而影響熒光的側向分布。除此之外，近期的研究發現激光偏振態引起的粒子碰撞、重復頻率引起的熱效應、以及光絲內分子排列等也會影響光絲輻射熒光信號的長度和強度。

由于光絲內部光強高，在空氣中可達到1014 W/cm2量級，無法對其進行直接測量。利用熒光光強和譜線寬度與光絲內光強、等離子體的關系，可以通過測量側向熒光信號表征光絲的相關參數。南開大學劉偉偉教授團隊基于此發展了計算光絲內部光強的經驗公式，并通過對光絲進行可視化研究，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、非侵入的優勢。

2.2 基于熒光側向分布的光絲調控

實驗上，經常通過熒光的側向分布判斷光絲的空間位置及調控質量。

光絲的調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、強度及數量進行調控。簡單的調控方式是通過外部聚焦條件及激光參數影響光絲起始位置及長度。

利用時空相位調控，如控制雙脈沖時間延遲、利用軸錐鏡、空間光調制器等，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控，如使用望遠鏡系統、相位板、空間光調制器、軸錐鏡等。

圖1 時空相位整形調控光絲

三、飛秒激光成絲誘導熒光的背向分布

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

2003年，Laval 大學的 Chin 課題組次發現了光絲中氮氣熒光的放大自發輻射現象（ASE），隨后以光絲作為增益介質產生空氣激光的物理機制與調控方法被廣泛研究。光絲中的ASE 現象主要表現為背向熒光信號強度隨光絲長度呈指數增長（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

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

劉偉偉教授團隊發現光絲誘導的背向熒光信號具有一定的發散角。背向氮氣熒光信號主要集中于±10°范圍內[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。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制是米散射[圖3(d)]。

圖3 光絲誘導的背向氮氣熒光及NaCl氣溶膠熒光信號的空間分布情況

四、飛秒激光成絲誘導熒光的前向分布

依靠光絲產生的粒子數反轉，通過使用種子光，可以使光絲作為增益介質產生前向的受激輻射。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換效應輻射出的諧波或超連續。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。

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

圖4 前向空氣激光的遠場空間分布

五、總結與展望

對光絲誘導熒光空間分布的研究在理解光絲內的物理化學機制、光絲調制、空氣激光的產生及大氣遠程探測等方面均具有重要的價值。目前，飛秒激光成絲誘導熒光技術在大氣污染探測方面的應用，仍存在一些重要挑戰。

首先，物理機制復雜，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、激發熒光的物理機制。對空氣激光增益放大的物理機制進行研究在遠程大氣污染探測方面具有重要作用。

其次，在實際應用中，復雜的大氣環境對熒光空間分布的影響機制尚未明晰。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，如何通過調控光絲中光強的時空分布而增強熒光信號，進而產生遠程、高品質的光絲，并提升遠程探測的信噪比、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： 中國光學期刊網

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