圖1(a)不同泵浦光強下種子放大倍數(shù)隨泵浦波長的變化;(b)理論計算的氮氣離子激光上下能態(tài)的粒子數(shù)差隨泵浦波長和光強的變化。

近期，中國科學院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室與國防科技大學理學院、上海理工大學光電學院等單位合作，發(fā)現(xiàn)強場中多光子共振與隧穿電離協(xié)同作用誘導的離子高效光激發(fā)新機制。相關(guān)成果以“Multiphoton Resonance Meets Tunneling Ionization: High-Efficient Photoexcitation in Strong-Field-Dressed Ions”為題發(fā)表于Physical Review Letters。

光電離和光激發(fā)是光與物質(zhì)相互作用的兩個基本過程。大多數(shù)情況下，這兩個過程獨立存在于不同的原子分子體系和不同激光參數(shù)區(qū)間。近年來，氮氣離子空氣激光的發(fā)現(xiàn)及其機理的廣泛爭議，促使研究人員重新思考光電離和光激發(fā)這兩個基本過程及其關(guān)聯(lián)行為。氮氣離子激光的產(chǎn)生同時包含分子隧穿電離、離子共振激發(fā)、核波包運動等諸多過程，其機理研究不僅為揭示光電離與光激發(fā)的協(xié)同作用提供了契機，而且促進了強場物理與量子光學的交叉，近一步孕育了強場量子光學新前沿。

團隊研究了氮氣離子激光強度對于泵浦激光波長的依賴。結(jié)果表明，種子光在很寬的泵浦波段都能被有效放大而產(chǎn)生氮氣離子激光，且在1000 nm附近出現(xiàn)顯著增強，如圖1(a)所示。在最優(yōu)泵浦波長下，氮氣離子激光的產(chǎn)生閾值降低至120 mJ，僅為通常采用的800 nm泵浦的1/5。在理論研究角度，利用強場電離-耦合模型，計算了氮氣離子激光上下能態(tài)的粒子數(shù)差隨泵浦激光光強和波長的變化，重現(xiàn)了實驗結(jié)果，如圖1(b)所示。

理論分析表明，在最優(yōu)泵浦波長時，氮分子隧穿電離和離子的三光子共振在強激光場中共存，兩者協(xié)同作用導致離子激發(fā)態(tài)布居比它們分別作用時提高了約一個數(shù)量級。通過分析離子偶極矩與驅(qū)動光場的相位關(guān)系，揭示了其背后的物理機制，解釋了實驗上觀測的氮氣離子激光的最優(yōu)泵浦波長。如圖2所示，在隧穿電離與多光子共振協(xié)同作用下，不同時刻產(chǎn)生的離子偶極矩能夠?qū)崿F(xiàn)相位鎖定，建立最大的相干性，而且與驅(qū)動光場保持最佳相位關(guān)系，促使離子從基態(tài)持續(xù)不斷地抽運到激發(fā)態(tài)。同時，電離對光場強度的高度非線性依賴，將離子光激發(fā)過程主要限定在強度最高、變化最緩慢的光場包絡(luò)中心，進一步提升了離子激發(fā)效率和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度。

圖2.隧穿電離與三光子共振協(xié)同作用導致的離子高效光激發(fā)的物理機制。

本研究揭示了一種新穎、高效的離子光激發(fā)機制，突出了強場制備的離子體系的獨特性，并且該機制普遍適用于強場電離誘導的離子系統(tǒng)。由于泵浦閾值的降低，該工作為提高空氣激光強度并進一步拓展其應(yīng)用提供了思路，也為將來基于光纖激光器產(chǎn)生空氣激光提供了可能。

相關(guān)工作得到國家自然科學基金委、中國科學院、上海市科委等項目的支持。

審核編輯 黃宇