近日，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，在重頻依賴飛秒激光空氣成絲自聚焦閾值研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究結(jié)果以“Pulse repetition-rate effect on the critical power for self-focusing of femtosecond laser in air”為題發(fā)表于Optics Express。

飛秒激光成絲產(chǎn)生于克爾自聚焦效應(yīng)與等離子體散焦效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡，在超短脈沖壓縮、太赫茲輻射、大氣遙感、天氣控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。高重頻飛秒激光技術(shù)的發(fā)展為光絲在穿云透霧、人工引雷、激光加工等領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇。近期的研究工作中，團(tuán)隊(duì)聚焦高重頻飛秒激光大氣成絲過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了高重頻飛秒激光成絲的特性和規(guī)律，（Adv. Photon. Res. 4, 2200338 (2023)）澄清了脈沖累加效應(yīng)對(duì)光強(qiáng)（High Power Laser 11, e46 (2023)）、等離子體密度和溫度的影響機(jī)制（Chin. Opt. Lett. 22, 013201 (2024)），解決了脈沖累加效應(yīng)導(dǎo)致光絲自動(dòng)的瓶頸問(wèn)題（Light: Sci. & Appl. 13, 42 (2024)）。然而，自聚焦閾值是評(píng)價(jià)成絲過(guò)程是否發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)，高重頻依賴的脈沖累加效應(yīng)對(duì)飛秒激光絲自聚焦閾值的影響尚不明確。

在這項(xiàng)工作中，研究人員利用飛秒激光空氣成絲過(guò)程中幾何聚焦與克爾自聚焦的雙重作用，提出了一種基于雙峰擬合的確定自聚焦閾值的新方法。并通過(guò)深入分析殘差、均方根誤差、擬合確定系數(shù)等證明所提出的方法優(yōu)于傳統(tǒng)的高斯擬合法，可以更為精準(zhǔn)地確定自聚焦閾值。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了空氣中1kHz，500Hz，100Hz以及50Hz重頻下的飛秒激光成絲自聚焦閾值，發(fā)現(xiàn)了相比于較低重頻、高重頻飛秒激光脈沖在空氣中傳輸自聚焦閾值更低、更容易成絲的新規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了實(shí)驗(yàn)規(guī)律的準(zhǔn)確性。這項(xiàng)工作為自聚焦的研究提供了新的思路，在深入理解高重頻飛秒激光絲特征方面具有重要意義。

圖 1. 入射能量為 (a) 240 µJ、(b) 280 µJ、(c) 300 µJ 和 (d) 325 µJ 且重復(fù)頻率為 1 kHz 時(shí)光絲誘導(dǎo)軸上熒光信號(hào)。(e) 傳統(tǒng)高斯擬合和雙峰擬合的殘差圖。

圖 2. 重復(fù)頻率為 (a) 1 kHz、(b) 500 Hz、(c) 100 Hz、(d) 50 Hz 時(shí)，光絲誘導(dǎo)熒光信號(hào)的峰值位置（雙峰擬合）與脈沖能量的函數(shù)關(guān)系。紅色擬合線之間的交點(diǎn)表示自聚焦閾值。(e) 使用傳統(tǒng)高斯擬合（藍(lán)色）和雙峰擬合（紅色）得到的自聚焦閾值與重頻的函數(shù)關(guān)系。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市科技項(xiàng)目等支持。

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