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超强激光科学卓越创新简报

(第七百二十七期)

2025年11月27日

上海光机所在脉冲累计效应影响光丝荧光研究中取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在脉冲累计效应影响飞秒激光成丝荧光发射研究中取得新进展。团队系统揭示了激光重复频率对空气中氮分子荧光信号的调控机制，阐明了飞秒激光成丝中脉冲累计效应引发的空气密度变化及其对等离子体激发过程的影响。相关研究成果以“Mechanistic insights into the cumulative effect of femtosecond filamentation on nitrogen fluorescence in air”为题，发表于 Optics & Laser Technology。

飞秒激光在空气中传播时会形成高强度的等离子体光丝，其伴随的荧光信号为探测大气成分和诊断非线性过程提供了重要手段。然而，当激光以高重复频率工作时，前一脉冲产生的局域加热与空气密度的局部降低会显著改变后续脉冲的传播环境，从而影响光丝的荧光发射。针对这一关键科学问题，研究团队通过实验测量与数值模拟相结合的方法，定量分析了不同重复频率下空气中氮分子第一负带（N₂⁺）与第二正带（N₂）的荧光变化规律。结果表明，随着重复频率升高，空气密度降低使得后续脉冲在低密度介质中以更高强度传播，导致电离增强与电子动能升高，从而显著提升了两类荧光的发射强度。

研究进一步揭示，高重复频率下的荧光增强主要源于两种机制：其一是光丝峰值强度的提升使氮分子电离效率增加，增强了N₂⁺的第一负带荧光；其二是高动能电子碰撞激发过程的增强，促进了中性氮分子的第二正带荧光。数值模拟结果与实验结果高度一致，系统阐明了脉冲累计效应在光丝非线性演化中的作用，为高重复频率飞秒激光在大气遥感、等离子体光谱及超快诊断中的应用提供了新的理论依据。

相关研究得到电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室、国家自然科学基金、上海市科技计划等资助。

原文链接

图1 （a）在激光重频为 100 Hz 和 1000 Hz时，光丝发射荧光的光谱强度，（b）337 nm 和 （c）391 nm 处的荧光信号峰值强度随初始脉冲能量和激光重复频率的变化。

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