近期，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室團隊研究發(fā)現(xiàn)高重頻飛秒激光空氣成絲誘導(dǎo)的三次諧波存在顯著的自抖動，針對這一瓶頸問題，提出了一種基于外加直流電場的解決方案，顯著降低了三次諧波的光束指向和強度抖動，為產(chǎn)生穩(wěn)定、大能量高重復(fù)頻率紫外和極紫外激光源提供了思路。相關(guān)研究成果以Improving the beam pointing and intensity stability of the third harmonic generated in air filament為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。

紫外和極紫外激光在高分辨率成像、材料加工和先進光譜學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。諧波是獲取這些短波長激光的重要手段之一。傳統(tǒng)基于非線性晶體的諧波產(chǎn)生方式，受晶體紫外透光截止波長、損傷閾值等限制，較難獲得大能量紫外光源。基于激光氣體成絲誘導(dǎo)的三次諧波可以突破上述局限。

在該工作中，團隊研究了飛秒激光空氣成絲誘導(dǎo)三次諧波的穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)高重復(fù)頻率條件下，激光成絲產(chǎn)生的三次諧波光束抖動顯著增強（圖1），嚴重影響了三次諧波的穩(wěn)定性，成為制約其應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。為了解決這一難題，研究團隊創(chuàng)新性地引入了外部直流電場，成功抑制了三次諧波光束的指向和強度抖動。實驗結(jié)果顯示，在1 kHz重復(fù)頻率下，光束指向抖動降低了約50%，強度抖動也得到有效抑制（圖2）。這是由于外部電場能夠抑制等離子體復(fù)合效應(yīng)，減少脈沖之間因等離子體復(fù)合造成的熱量沉積，從而降低了由熱擴散造成的氣流擾度強度。流體動力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果進一步證實了外加直流電場對激光絲等離子體通道穩(wěn)定性的提升，進而提高了三次諧波的穩(wěn)定性。該研究不僅為開發(fā)高重復(fù)頻率、高穩(wěn)定性的大能量紫外和極紫外激光源奠定了基礎(chǔ)，也為其在成像、精密加工等領(lǐng)域應(yīng)用開辟了新的機遇。

圖1. 不同重復(fù)頻率下三次諧波(TH)光束指向分布云圖。(a)50Hz, (b)100Hz, (c)500Hz, (d)1 kHz。三次諧波光束指向偏差距離(e)及強度抖動(f)隨成絲重復(fù)頻率的變化曲線。紅色點表示未成絲時泵浦激光的指向分布。

圖2. (a)未施加和施加電場后基于1kHz光絲產(chǎn)生的TH光束指向分布云圖。(b)1kHz TH光束指向偏差距離與施加在光絲上電壓的關(guān)系。(c)1kHz TH的強度抖動與施加在光絲上電壓的關(guān)系。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目、上海市科技項目、中國科學(xué)院國際合作重點項目等項目的支持。

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