中红外可调谐飞秒激光脉冲驱动产生远程激光辐射的机理与应用研究

Nowadays, due to more and more attention paid to environment pollution and national security, both remote monitor of pollutants and early detection of nuclear reactor radiation leak have become one of hot issues in scientific research. Femtosecond filamentation offers a promising way for remote sensing and detection of hazardous substances due to its excellent characteristics, such as high laser intensity inside the filament, strong penetrability, excellent beam quality and long propagation distance. In particular, remote air lasing induced by filamentation makes it possible to improve sensitivity and information content retrieved by the return signal. However, remote lasing is usually generated with nitrogen or oxygen as the gain medium. So far, few research focus on other gases and pollutants because of the limitation of pump sources. Furthermore, current remote lasing usually operates at either single wavelength or multiple wavelengths. It is difficult to switch between multiple wavelengths without using any optical components and thus it cannot be effectively controlled at the location of pump sources. In order to solve these problems above, this project will focus on remote lasing driven by mid-infrared tunable femtosecond laser pulses in multiple gases and pollutants. We will attempt to obtain high-brightness, wavelength-switchable remote lasing. We also will investigate the physical mechanism of remote lasing and its applications aiming at exploring new principles and laws of atomic and molecular physics in the mid-infrared strong field and developing a new nonlinear spectrum technique.

随着人类对环境污染和国家安全问题的关注，大气污染远程探测、核辐射泄漏的早期识别已经成为当前科学研究的热点问题之一。飞秒激光成丝，由于具有承载光强高、穿透能力强、光斑模式好、传输距离远的特点，在大气遥感、有毒有害物质识别等方面具有重要的应用价值。特别是，飞秒激光成丝诱导的远程空气激光的发现，为解决远距离探测的灵敏度和信息量等关键问题提供了有效途径。然而，由于泵浦光源的限制，目前远程激光的研究主要以氮气和氧气为增益介质，对于其他气体和污染物的研究较少。另外，远程激光通常以单一波长或多波长的模式运转，不借助光学元件，难以实现波长的切换和调节，不具备远程操控的能力。基于以上研究背景，本项目拟利用中红外可调谐飞秒激光脉冲在多种气体和污染物中产生高亮度、波长可切换的远程激光辐射。通过研究该远程激光形成的机理以及实际应用，探索中红外强场原子分子物理的新原理、新规律，并发展一种全新的非线性光谱技术。

提高远程探测的信噪比、灵敏度是多个学科领域亟待解决的重要科学问题。传统的遥感技术通常以非相干的散射光或荧光作为探测源，具有探测距离有限、信噪比差、时间分辨率低等缺点。飞秒激光脉冲在空气中诱导的激光辐射（空气激光），作为一种相干光源，具有亮度高、指向性好的特点，有望显著提高远程探测的信噪比和灵敏度，在环境科学和国防安全领域具有重要的应用前景。同时，空气激光为非线性光谱以及强场分子物理研究提供了新的契机。在该项目执行过程中，我们对飞秒激光脉冲诱导的远程激光辐射进行了系统研究，在空气激光的产生与远程操控，氮气离子激光的机理探索以及远程激光辐射的应用方面取得的主要进展如下。.空气激光的产生：提出利用泵浦-探测技术产生氮气离子激光新方案，并测量了氮气离子激光的增益动力学和时间特性；利用圆偏振飞秒激光脉冲产生了氮气激光，并研究了其增益动力学以及氧分子的淬灭效应；在氮气和氩气混合气体中产生了强的背向氮气激光，揭示了粒子数反转寿命是产生背向激光的关键因素。.空气激光的远程操控：提出了利用望远镜系统拓展空气激光产生距离的新方法，为推进空气激光在远程探测中的应用奠定了基础；发现两个不同波长的氮气离子激光随泵浦脉冲啁啾变化呈现出不同的趋势，由此提出通过调控泵浦脉冲啁啾远程切换空气激光波长的全光学方案。.氮气离子激光的机理：通过研究氮气离子激光随探测光的功率、波长以及传输方向的变化，排除了四波混频、受激Raman散射等机制的可能性，表明基于粒子数反转的种子放大是产生氮气离子激光最可能的机制；系统研究了在低压氮气中产生的氮气离子激光的时间特征，发现在低压条件下产生的氮气离子激光具有超辐射特性。.远程激光辐射的应用：以空气激光为探针，获取了分子转动波包的信息，并研究了单一转动态的超快动力学过程；在氮气离子激光光谱中观测到氮气分子的转动拉曼信号；通过空气激光研究，我们发展了获取低能分子轨道信息的全光学方法；将空气中的激光辐射研究拓展到有机分子，在酒精火焰中发现飞秒激光成丝诱导的背向ASE。