讓空氣發(fā)光的人

【編者按】在上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助（項目編號：22DZ2304300）下，澎湃新聞聯(lián)合《世界科學(xué)》對獲得國家及上海市科技獎勵的獲獎成果進行科普化報道。

本文圍繞2022年度上海市自然科學(xué)獎一等獎項目“超快強光場驅(qū)動的空氣激光研究”展開。該獎項由上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院劉一教授與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所等單位合作完成。

如何低成本高靈敏監(jiān)測大氣污染物的含量，一直是光學(xué)遠程遙感技術(shù)研究的重點。

對于大氣遙感應(yīng)用而言，一個理想的方式是直接以空氣為增益介質(zhì)，利用短脈沖強激光的遠程激發(fā)作用，在大氣中任意位置制造出高亮度激光，用于探測大氣中的痕量污染物分子。

此前，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院劉一教授與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所等單位合作完成的“超快強光場驅(qū)動的空氣激光研究”榮獲2022年度上海市自然科學(xué)一等獎。

研究人員發(fā)現(xiàn)，利用強激光照射空氣中的氮氣可以生成氮離子空氣激光，且生成的這種激光的振動方向（偏振）跟泵浦激光的振動方向是一致的。

通過精確控制泵浦激光脈沖的參數(shù)，研究團隊成功實現(xiàn)了空氣激光的穩(wěn)定產(chǎn)生，并能夠調(diào)節(jié)產(chǎn)生的空氣激光的波長，為定制化激光輸出提供了可能。此外，這項技術(shù)在大氣污染物的高靈敏測定方面展現(xiàn)出巨大潛力，它能夠通過受激拉曼效應(yīng)，實現(xiàn)對微量污染物、同位素分子的精準檢測。

該研究成果將強場激光物理和量子光學(xué)兩個領(lǐng)域聯(lián)系了起來，不僅加深了人們對強激光場下分子和離子行為的基礎(chǔ)理解，還對光譜學(xué)、激光技術(shù)、大氣遙感等領(lǐng)域至關(guān)重要。

偶然收獲，掀起空氣激光研究的熱潮

2003年，空氣激光的概念被提出。人們發(fā)現(xiàn)將超強激光發(fā)射到空氣中激發(fā)空氣分子，其背向有可能得到受激輻射，其本質(zhì)上是強場激發(fā)或電離產(chǎn)生的激光現(xiàn)象。

“2011年，上海光機所程亞老師課題組第一次在實驗中看到可信的證據(jù)，但是從具體機制和理論上大家是不太理解的。在過去的十幾年中，大家都在不斷嘗試從理論上解釋這個現(xiàn)象?！眲⒁唤淌诮榻B道。

2011年，中國科學(xué)院上海光機所與吉林大學(xué)等單位合作，利用中紅外可調(diào)諧飛秒激光，出人意料地發(fā)現(xiàn)了強光場驅(qū)動空氣分子電離產(chǎn)生的窄線寬、高亮度、多波長相干輻射，其隨后被廣泛地稱為空氣激光。

強場電離誘導(dǎo)的空氣激光現(xiàn)象被報道后，來自美國、法國、加拿大、日本、奧地利等國的諸多國際頂尖研究組紛紛開展了相關(guān)研究，由此掀起了空氣激光研究的熱潮。如今，空氣激光已發(fā)展成為超強超快光物理領(lǐng)域的前沿方向。

95%的時間在準備實驗

“很多實驗的準備工作是非常復(fù)雜的，成功摸索到合適的實驗條件是要耗費大量時間精力的。我經(jīng)常跟學(xué)生開玩笑說，完成一篇博士論文要花幾年時間，如果實驗條件準備好，得到論文中的實驗結(jié)果其實一周就可以完成。那么為什么花了幾年的時間呢？因為95%的時間是在做準備，只有5%的時間是在做實驗。”劉一教授笑稱。

2014年到2018年，劉一教授團隊和瑞典隆德大學(xué)教授安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）合作，后者是2023年的諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者。

“我們有一篇合作論文發(fā)表在物理學(xué)的頂級期刊上，這篇論文的實驗結(jié)果是在某個星期四的晚上大家一起通宵獲得的?！?/p>

“安妮·呂利耶說，既然準備工作做好了，晚上無論如何也要把實驗完成?！眲⒁换貞浀?。

當(dāng)天晚上一共有7個人進行實驗，2個中國人，1個法國人，1個德國人，1個英國人，2個瑞典人。

到了凌晨4點，實驗才結(jié)束。

“法國課題組的組長當(dāng)天下午從巴黎趕到瑞典，他說，無論實驗多晚結(jié)束，都要通知他。凌晨，我回到賓館，沒有敲他的房間門，而是給他發(fā)了短信，告訴他實驗結(jié)束了。誰知，他立馬打電話給我，說要馬上跟我討論實驗結(jié)果。第二天一大早，他也沒休息，就回巴黎了。”劉一說。從這些科學(xué)家身上，他看到了十分可貴的對科研工作的熱情。

空氣激光生成的前置步驟

空氣激光是一種通過強場電離產(chǎn)生的激光現(xiàn)象，整個過程的第一步就是把強激光聚焦射入空氣。

劉一教授的團隊利用先進的飛秒激光技術(shù)，產(chǎn)生了持續(xù)時間在10^-15秒量級的超短激光脈沖。這些強場脈沖不僅持續(xù)時間極短，而且具有極高的峰值功率，為后續(xù)的實驗奠定了基礎(chǔ)。

超快激光脈沖的光，強到什么程度？

劉一教授解釋說，“我們中學(xué)學(xué)過原子的組成，電子為什么圍繞原子核轉(zhuǎn)動？因為原子核有庫侖場，電子不會逃走。強光場與庫侖場接近甚至比它還要強多個數(shù)量級，一般在10的14次方瓦每平方厘米之上。在這樣的強光照射下，電子就被電離成為自由電子了。”

“過往的研究都認為，電離之后，離子處于基態(tài)的概率更大，處于激發(fā)態(tài)的概率更小。但是實際上通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，離子處于激發(fā)態(tài)的概率可能更大，而處于基態(tài)的概率較小，這個強場電離新效應(yīng)是人們以前不知道的?！?/p>

在強光場的作用下，空氣中的分子和原子會發(fā)生隧穿電離、多能級耦合、振動態(tài)和轉(zhuǎn)動態(tài)激發(fā)等復(fù)雜的非線性效應(yīng)。這些效應(yīng)是空氣激光產(chǎn)生的關(guān)鍵。

在特定條件下，強光場引發(fā)的等離子體能夠放大特定波長的光，形成空氣激光。這種激光通過光學(xué)放大，最終實現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。團隊通過精細調(diào)控激光脈沖的能量、相位和空間分布，成功實現(xiàn)了空氣激光的穩(wěn)定產(chǎn)生。

控制氮離子空氣激光的偏振

偏振是激光電場振動方向的一種描述，對于控制和應(yīng)用激光具有重要意義。在光學(xué)通信、材料加工和生物成像等領(lǐng)域，激光的偏振狀態(tài)能夠顯著影響其效果和精度。

在傳統(tǒng)的激光研究中，偏振狀態(tài)通常由激光器的設(shè)計決定。然而，空氣激光的偏振特性主要受激光與氣體分子相互作用的動態(tài)過程影響，這使得其偏振控制變得比較復(fù)雜。

劉一教授團隊的實驗結(jié)果表明，氮離子空氣激光的偏振狀態(tài)與泵浦光偏振、注入種子光的偏振、種子光的強度、光學(xué)放大的程度都有關(guān)系。近期的研究工作全面地理解了復(fù)雜偏振效應(yīng)的主要原因，解決了一個多年懸而未決的謎題，為在各維度上進一步地控制氮離子空氣激光提供了基礎(chǔ)。

通過調(diào)整激光脈沖的參數(shù)，可以控制產(chǎn)生的空氣激光的波長和頻率。這一發(fā)現(xiàn)為特定應(yīng)用需求的定制化激光輸出提供了可能。例如，在通信領(lǐng)域，不同波長的激光可以用于不同的通信信道，提高通信的帶寬和效率。

“空氣的氮氣、氧氣、氬氣等在合適的激發(fā)條件下，都可以發(fā)射空氣激光。選擇氮氣一方面是因為氮氣在空氣中的比例最高，另一方面是氮氣可以用我們超快光學(xué)實驗室常見的鈦寶石激光器來進行激發(fā)，做實驗比較便利。”劉一教授介紹道。

助力大氣污染物高靈敏檢測

空氣激光可以與空氣中的污染物分子相互作用，通過檢測并分析產(chǎn)生的光譜信號，就可以識別和量化污染物。

在傳統(tǒng)光學(xué)遠程探測中，通過激光激發(fā)空氣中的污染物分子，使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，然后返回基態(tài)時發(fā)射熒光。這個熒光信號可以被探測器收集和分析，從而識別污染物的種類和濃度。與傳統(tǒng)激光激發(fā)熒光信號不同，空氣激光是具有方向性的相干光，其可以攜帶待檢測分子的信息，這使得其在大氣環(huán)境中的傳輸和應(yīng)用具有極大優(yōu)勢。

“這項發(fā)現(xiàn)給光學(xué)遠程遙感提供了新的技術(shù)方案，這是不同于以前的傳統(tǒng)光學(xué)遙感的新方案。這個方案有潛力極大提升大氣污染物檢測的靈敏度和探測極限。”劉一教授表示。

氮離子空氣激光能夠產(chǎn)生強烈的、具有方向性的光信號，而這種光信號在空氣中的傳播幾乎不受衰減。這使得其在檢測微量污染物時，具有極高的靈敏度。

在大氣環(huán)境中，當(dāng)某些污染物的濃度非常低時，傳統(tǒng)的檢測方法可能難以準確測定。而高靈敏度的氮離子空氣激光則可以捕捉到這些微弱信號，從而實現(xiàn)對微量污染物的精準檢測。

空氣中每種污染物的光譜特性不同，通過對相互作用后氮離子空氣激光光譜的精細分析，可以準確區(qū)分不同污染物的成分。利用這種方法，可以在復(fù)雜的空氣環(huán)境中實現(xiàn)對多種污染物同時進行高分辨率檢測和分析。

“傳統(tǒng)的空氣污染物檢測方法通常需要采樣、運輸、實驗室分析等多個步驟，耗時較長，難以實現(xiàn)實時監(jiān)測。而空氣激光技術(shù)可以在大氣中直接生成和檢測光信號，具有即時性和便捷性的優(yōu)勢。這種實時監(jiān)測能力對于應(yīng)對突發(fā)的空氣污染事件，提供了快速響應(yīng)和決策支持的可能性?！?/p>

“未來，我們一方面希望這項研究能夠走向規(guī)?；瘧?yīng)用，在大氣探測方面發(fā)揮實際價值，這是我們最期望的。另一方面，我們希望該研究對于強場物理有所貢獻，希望該效應(yīng)具有普適性，對其他課題具有貢獻?！眲⒁唤淌诒硎?。