一、引言

高強度飛秒激光在介質(zhì)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(chǎn)生等離子體通道。這一現(xiàn)象被稱為飛秒激光成絲。憑借鉗制光強高、傳輸距離遠、可在復雜大氣環(huán)境中穿行的優(yōu)勢，飛秒激光成絲在遠程大氣污染監(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，有望彌補傳統(tǒng)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(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)，增強光絲與探測物質(zhì)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(tǒng)的像散等。而光絲誘導熒光的側(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(shù)的理想光源，其遠場空間分布，尤其是發(fā)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(cè)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(cè)向分布表征光絲內(nèi)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(fā)輻射現(xiàn)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(cè)向分布

2.1 熒光側(cè)向分布及表征

飛秒激光成絲誘導熒光的側(cè)向分布被廣泛應用于表征光絲、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、重復頻率引起的熱效應、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度。

由于光絲內(nèi)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(nèi)光強、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)。南開大學劉偉偉教授團隊基于此發(fā)展了計算光絲內(nèi)部光強的經(jīng)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(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、強度及數(shù)量進行調(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、飛秒激光成絲誘導熒光的背向分布

在大氣遠程探測技術(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(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(fā)現(xiàn)光絲誘導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(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。

空氣激光無需光學諧振腔，可憑借光絲的特性在遠程產(chǎn)生，具有良好的方向性(圖4)，已成為遠場產(chǎn)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(jié)與展望

對光絲誘導熒光空間分布的研究在理解光絲內(nèi)的物理化學機制、光絲調(diào)制、空氣激光的產(chǎn)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(shù)在大氣污染探測方面的應用，仍存在一些重要挑戰(zhàn)。

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(fā)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(huán)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(diào)控光絲中光強的時空分布而增強熒光信號，進而產(chǎn)生遠程、高品質(zhì)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(wǎng)

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