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超强激光科学卓越创新简报

(第五百三十七期)

2024年7月31日

上海光机所在飞秒激光空气成丝自聚焦阈值研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队，在重频依赖飞秒激光空气成丝自聚焦阈值研究方面取得进展。相关研究结果以“Pulse repetition-rate effect on the critical power for self-focusing of femtosecond laser in air”为题发表于Optics Express。

飞秒激光成丝产生于克尔自聚焦效应与等离子体散焦效应的动态平衡，在超短脉冲压缩、太赫兹辐射、大气遥感、天气控制等领域展现出巨大的应用潜能。高重频飞秒激光技术的发展为光丝在穿云透雾、人工引雷、激光加工等领域带来了新的机遇。近期的研究工作中，团队聚焦高重频飞秒激光大气成丝过程，发现了高重频飞秒激光成丝的特性和规律，（Adv. Photon. Res. 4, 2200338 (2023)）澄清了脉冲累加效应对光强（High Power Laser 11, e46 (2023)）、等离子体密度和温度的影响机制（Chin. Opt. Lett. 22, 013201 (2024)），解决了脉冲累加效应导致光丝自动的瓶颈问题（Light: Sci. & Appl. 13, 42 (2024)）。然而，自聚焦阈值是评价成丝过程是否发生的关键参数，高重频依赖的脉冲累加效应对飞秒激光丝自聚焦阈值的影响尚不明确。

在这项工作中，研究人员利用飞秒激光空气成丝过程中几何聚焦与克尔自聚焦的双重作用，提出了一种基于双峰拟合的确定自聚焦阈值的新方法。并通过深入分析残差、均方根误差、拟合确定系数等证明所提出的方法优于传统的高斯拟合法，可以更为精准地确定自聚焦阈值。研究团队测量了空气中1kHz，500Hz，100Hz以及50Hz重频下的飞秒激光成丝自聚焦阈值，发现了相比于较低重频、高重频飞秒激光脉冲在空气中传输自聚焦阈值更低、更容易成丝的新规律，数值模拟结果证实了实验规律的准确性。这项工作为自聚焦的研究提供了新的思路，在深入理解高重频飞秒激光丝特征方面具有重要意义。

该工作得到了国家自然科学基金联合基金项目、中国科学院国际合作重点项目、上海市科技项目等支持。

图 1. 入射能量为 (a) 240 µJ、(b) 280 µJ、(c) 300 µJ 和 (d) 325 µJ 且重复频率为 1 kHz 时光丝诱导轴上荧光信号。(e) 传统高斯拟合和双峰拟合的残差图。

图 2. 重复频率为 (a) 1 kHz、(b) 500 Hz、(c) 100 Hz、(d) 50 Hz 时，光丝诱导荧光信号的峰值位置（双峰拟合）与脉冲能量的函数关系。红色拟合线之间的交点表示自聚焦阈值。(e) 使用传统高斯拟合（蓝色）和双峰拟合（红色）得到的自聚焦阈值与重频的函数关系。

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