飞秒激光泵浦的氮气离子超辐射过程的时间分辨和相干调控研究

Superradiance of nitrogen ions, generated from air plasma pumped by femtosecond laser, has important applications in remote atmospheric sensing and trace elements detection. It becomes one of the hottest research topics in the field of high field physics. The focus of nitrogen ions lasing study is its physical mechanism, optimization and coherent manipulation of Superradiance. In order to clarify the contribution of population inversion and coherence of electronic state in the progress of Superradiance, we will study the particle population of the N2+ exited state and time resolved gain dynamics during the N2+ lasing. By manipulating the correlated physical parameters, we also intend to coherently control the N2+ Superradiance in this project. The detailed research includes the following aspects: (1) The research of time-resolved gain dynamics by the synchronous detection of lateral fluorescence and forward superradiance signal with high spectral resolution and high time resolution in the pump-probe experiment; (2) Combining the theory of dressed state and the technique of pulse shaping, coherently control of N2+ Superradiance by manipulation the phase, width, waveform and intensity of the driving pulse. This project will deepen our understanding of N2+ Superradiance, provide guidance for the control of N2+ "air laser", and lay the foundation for its application.

由飞秒激光泵浦空气产生的氮气离子超辐射，在大气遥感和痕量元素测量领域具有重要的应用，是目前空气激光领域最前沿的研究课题之一。氮气离子超辐射的研究焦点是其产生的物理机理、性能优化及其控制。本项目针对这些焦点科学问题，深入研究氮气离子超辐射发生期间能级粒子数布居和光增益随时间的演化规律，以澄清粒子数反转和能级相干在超辐射中的贡献；并通过调节相关物理量实现对氮气离子超辐射的相干控制。具体研究内容包括以下方面：(1)搭建具有高光谱分辨和高时间分辨的侧向荧光和前向超辐射信号同步探测系统，实现激发态粒子数布居和超辐射光增益动力学的关联测量；(2)引入脉冲整形技术，在强场缀饰态理论框架下，通过调节驱动光的相位、脉宽、波形及强度实现对氮气离子超辐射相干调控。本项目将深化我们对于氮气离子超辐射物理机制的认识，为氮气离子“空气激光”的性能优化提供方向指导，为其应用奠定基础。

超快超强激光泵浦空气，利用空气作为激光增益介质，产生无谐振腔的“空气激光”，这种新型激光因此有望在远程大气中形成虚拟激光器，从而为光学远程探测提供全新概念的光源。我们围绕着新型激光源这一概念一方面希望通过实验探测及理论分析澄清激射的物理本质，另一方面，也希望在澄清的同时，通过多种手段实现对该空气激光的控制，如方向控制，波长控制等。项目研发过程中发表科技论文 8 篇， 获得专利 1 项，申请发明专利1项。同时在三年期内，已培养硕士1名，团队在读硕士4人，形成了富有创新力的青年研究团队。.有如下研究成果：.1).实现了氮气离子超辐射空气激光振动量子态相干调控。在实验中观察到来自于两不同下能级振动态、波长分别为391nm和428nm的激射信号的此消彼长的相互竞争关系。不仅如此，在更精密的时间分辨测量中，这两个激射信号存在飞秒范围内的精密拍频。经过计算模拟，可知两个信号之间的此消彼长反映了两个跃迁通道对于上能级粒子数布居的竞争关系；而氮气离子基态之间的振动态相干性则直接导致了精密拍频现象。该发现为理解飞秒激光激发的氮离子相干辐射的物理机制提供了新的视角，为其波长选择提供了新的途径。.2).空气等离子体通道的时间动力学过程研究。实验结果表明空气等离子体存在两个衰减过程，其中，具有较快时间尺度（~65 ps）的过程主要由电子与正离子复合导致，具有较慢时间尺度（~810 ps）的衰减过程主要由自由电子在氧气分子上的附着所致。.3).圆偏振飞秒激光激发高振动态氮气离子超辐射的时间分辨研究。实验中，我们引入外部种子光，得到的353.8nm信号被放大了3个数量级。此外，实验结果表明，这些辐射的累积时间和持续时间均与气体压力成反比，而辐射峰值功率随压力的增大近似呈二次曲线增长，也即我们探测的353.8nm辐射具有超辐射性质。.4).氮气离子背向激射研究。与391.4 nm的正向发射相比，最优的反向发射是在10mbar左右的较低气压下实现的。.5).氮气离子空气激光光学增益研究。.6).氮气离子激射的量子及半经典理论模拟。