高压He、N2 、Ar和CO2 气体中超连续谱生成的独特机制及其在阿秒脉冲技术中的应用

研究人员针对高压气体中超连续谱(SC)生成机制不明确的问题，通过40 fs钛蓝宝石激光在1-50 bar的He、N2 、Ar和CO2 中诱导丝状传播，发现除He外所有气体SC谱宽均呈现压力依赖性饱和现象，并通过UPPE方程揭示等离子体自吸收效应是主因。该研究为阿秒光谱学(attosecond spectroscopy)和极端条件物质研究提供了关键调控依据。

　　

在追求极端时间分辨率的科学前沿，阿秒(attosecond)脉冲技术如同打开微观世界的高速摄像机，而超连续谱(Supercontinuum, SC)生成是实现这一目标的核心钥匙。当飞秒(femtosecond)激光在透明介质中形成丝状传播时，会产生光谱范围异常宽广的SC辐射，这种"光学彩虹"的宽度直接决定了可产生的阿秒脉冲极限时长。然而，在高压气体这一可调谐性极强的介质中，SC生成的物理机制仍存在诸多未解之谜——为何某些气体在高压下会出现光谱饱和？分子结构差异如何影响非线性动力学过程？这些问题不仅关乎基础物理认知，更制约着阿秒光谱学(attosecond spectroscopy)和极端条件物质研究等尖端应用的突破。

来自国内研究机构的Yury E. Geints团队在《Optics》发表的研究，首次系统揭示了高压He、N₂
、Ar和CO₂
四种气体中SC生成的普适规律与特异现象。通过精密的实验设计与理论模拟，他们发现当气体压力超过30 bar时，CO₂
的SC谱宽会出现反常收缩，而Ar和N₂
则呈现饱和特性，唯有惰性的He始终保持线性展宽。这一发现颠覆了传统认知中"压力越高谱宽越大"的简单预期，为高压气体非线性光学开辟了新视角。

关键技术方法包括：1）使用45 fs钛蓝宝石激光(Ti:sapphire laser)在1-50 bar压力腔内诱导丝状传播；2）通过光谱仪记录400-1000 nm范围的SC辐射；3）基于单向脉冲传播方程(UPPE)模拟等离子体动力学过程；4）结合电子密度测量验证理论模型。

【实验结果显示】在30 bar压力下，Ar和N₂
的SC有效宽度分别稳定在240 nm和230 nm，而CO₂
在50 bar时谱宽较峰值下降15%。这种"分子越复杂，饱和越显著"的现象，通过UPPE方程被归因于等离子体自吸收增强效应：高压环境下，激光前缘电离产生的等离子体如同光学海绵，对后续脉冲能量产生选择性吸收，尤其对CO₂
这类高非线性分子，其电离阈值降低导致吸收效应更为显著。

【讨论与结论】该研究首次建立高压气体SC生成的压力-分子结构双参数调控模型，指出：1）惰性气体(He)因缺乏分子振动能级，其SC展宽仅受电子云畸变影响；2）分子气体(CO₂
/N₂
)的振动-电子耦合会加速等离子体吸收；3）50 bar以上压力区间存在"光学击穿规避窗口"，这对设计阿秒脉冲气态靶材具有指导意义。这些发现不仅完善了非线性光学理论，更为开发可调谐阿秒光源提供了实验范式——通过精确控制气体压力与分子类型，可实现从深紫外到近红外的SC光谱裁剪，推动极端时间分辨率光谱学向更高精度迈进。