直流电场增强电离对飞秒激光自聚焦的影响

《Optics & Laser Technology》：The influence of DC electric field-enhanced ionization on the self-focusing of femtosecond lasers

自聚焦临界功率检测与直流电场影响研究。通过施加直流电场于飞秒激光等离子体通道位置，提出了一种新的临界功率Pcr检测方法。实验发现Pcr随直流电压增加显著降低，最大降幅达30%，归因于电场增强等离子体电离效率。同时通过光谱分析证实了电场与激光等离子体之间的能量耦合机制。该方法为高功率激光与电磁场协同作用研究提供了新思路。

　　

徐颖|侯哲远|孙正|伊克巴尔·贾维德|李贤旺|刘耀祥|魏英霞|王铁军|冷宇新

上海交通大学物理科学与工程学院精密光学工程研究所，数字光学上海前沿科学中心，先进微结构材料国家重点实验室，中国上海200092

摘要

P_cr的临界功率是确定非线性自聚焦效应开始的参考值。其检测对于飞秒激光丝的应用至关重要。在这项工作中，我们提出了一种实验装置，在激光丝位置施加直流电场来测量飞秒激光的P_cr。测量结果显示，施加直流电场后P_cr显著降低，并且随着施加电压的增加而减小。这归因于电场与激光电离等离子体之间的相互作用增强了电离过程。随着施加电压和入射激光功率的增加，激光丝的形成变得更加容易，焦点偏移也更加明显。此外，还测量了激光丝的光谱信号，以阐明电场与激光电离等离子体之间的相互作用机制。这项工作有助于理解直流电场与飞秒激光等离子体之间的相互作用。

引言

随着超短脉冲激光技术的快速发展，飞秒激光丝由于其独特的物理特性，在遥感[1]、激光加工[2]、天气控制[3]、超连续谱辐射[4]、光通信[5]和激光诱导闪电[6][7]等领域显示出广泛的应用前景。作为非线性光学领域的重要现象之一，飞秒激光的自聚焦效应一直是研究前沿。Marburger[8]提出了自聚焦临界功率P_cr的经验公式，尽管该公式仅适用于准连续波，但它可以作为确定强飞秒激光克尔自聚焦效应开始的参考值[9][10][11][12][13]。当飞秒激光脉冲在空气中传播时，如果峰值功率超过P_cr，就会发生自聚焦效应，克服衍射并生成一个长距离的无衍射等离子体通道，称为激光丝[14][15][16][17][18]。因此，迫切需要研究飞秒激光的自聚焦特性，以推动基于飞秒激光丝的应用。

近年来，已有许多研究致力于测量飞秒激光的自聚焦临界功率[19][20][21][22][23][24][25][26][27]。W. Liu和S. Chin[21]提出了一种通过焦点偏移来测量P_cr的方法。当激光脉冲的峰值功率低于临界功率时，由于几何聚焦作用，焦点保持不变；当峰值功率达到临界功率时，由于自聚焦效应，焦点会提前移动。通常使用如ICCD这样的灵敏相机记录激光诱导等离子体荧光引起的焦点偏移。然而，2011年P. Whalen等人[22]通过数值模拟表明，必须考虑焦点区域的激光丝现象，它不仅是检测P_cr的手段，也是导致焦点偏移的原因之一。此后，科学家们一直在不同条件下积极调节激光丝特性，以研究其对P_cr的影响。2013年，P. Polynkin等人[23]研究了飞秒涡旋光束的自聚焦特性，发现飞秒涡旋光束在空气中的P_cr显著高于平顶光束，并且随涡旋阶数的增加而近似线性增长。K. Lim等人[24]和R. J. Xu等人[25]分别在2014年和2015年报告了飞秒激光聚焦行为对数值孔径和聚焦条件的高度敏感性。最近，Z. Q. Hao等人[26]开发了一种基于手机的声学方法来测量飞秒涡旋光束的P_cr，并揭示了P_cr对拓扑电荷的依赖性。这种方法不同于传统的光学测量方法，为P_cr的测量提供了另一种途径。C. L. Ollin等人[27]提出了一种双光子吸收方法，在不检测等离子体的情况下测量飞秒激光传播过程中的焦点偏移，支持了在低于临界功率下的焦点偏移研究。据我们所知，飞秒激光脉冲在直流电场下的P_cr尚未被探索。

在这项工作中，我们提出了一种通过在激光丝位置施加直流电场来测量飞秒激光P_cr的实验装置。实验中测量了激光丝的侧向荧光信号和光谱信号，并分析了P_cr与施加电压的依赖性，阐明了电场与激光电离等离子体之间的相互作用机制。

实验装置

实验装置如图1所示。图1(a)展示了使用ICCD测量激光丝侧向荧光信号的实验装置。由Ti:蓝宝石激光放大器产生的飞秒激光脉冲（800 nm/1 kHz/50 fs）通过透镜L1（焦距f = 50 cm）在空气中聚焦，从而在接地的法拉第笼（0.5 × 0.5 × 0.4 m³）内形成激光丝。使用了四分之一波片（QWP）和偏振器（P）来连续调节入射激光脉冲。

结果与讨论

图2显示了不同入射脉冲能量和施加电压下的侧向荧光信号。图2分别展示了未施加直流电场和施加直流电场时的侧向荧光信号。可以看出，当激光脉冲能量超过220 μJ时，未施加直流电场时焦点会发生显著偏移；而施加直流电场后，当脉冲能量超过150 μJ时也检测到了焦点偏移。

结论

总结来说，我们在激光丝位置施加直流电场以测量飞秒激光的自聚焦临界功率。实验结果表明，施加直流电场后测得的临界功率显著降低。还测量了激光丝荧光的光谱信号，以阐明直流电场与激光电离等离子体之间的相互作用。

作者贡献声明

徐颖：撰写 – 原始稿撰写、可视化处理、数据分析、形式化分析。侯哲远：验证、数据分析。孙正：数据分析。伊克巴尔·贾维德：数据分析。李贤旺：数据分析。刘耀祥：方法论设计、数据分析、资金申请。魏英霞：数据分析。王铁军：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。冷宇新：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家电磁环境效应与电光工程重点实验室（JCKYS2024LD2）、国家自然科学基金（编号12574381、U2130123）以及上海市科技计划（编号21511105000）的支持。