中紅外飛秒激光多光子共振激發(fā)CO+2的自由感應(yīng)衰變研究

羅 雨， 盧 琦， 張 翔， 莊騁軒， 劉 一

（上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

在過去10年里，空氣中無腔激射效應(yīng)引起了世界范圍內(nèi)諸多研究組的極大興趣[1-12]，該效應(yīng)源于超快激光在大氣中的非線性成絲傳輸現(xiàn)象。飛秒激光成絲過程蘊(yùn)含著豐富的物理效應(yīng)，如多光子電離和隧穿電離、超連續(xù)譜產(chǎn)生、微波和太赫茲輻射、空氣激光效應(yīng)等[13]。空氣激光效應(yīng)是飛秒激光成絲傳輸過程中備受關(guān)注的新興研究課題之一，目前，世界范圍內(nèi)約有30多個研究小組致力于研究氧氣、氮氣、氬氣以及二氧化碳等空氣組分的空氣激光效應(yīng)[1-7,14-15]，該效應(yīng)已經(jīng)成為超快非線性光學(xué)領(lǐng)域的一個熱點。

研究表明，在適當(dāng)?shù)谋闷旨す獠ㄩL、激光強(qiáng)度和氣壓條件下，在氧氣、氮氣、氬氣、二氧化碳及水蒸氣中均可獲得前向或后向相干“激光”輻射。對于這些不同“空氣激光”效應(yīng)的物理機(jī)制，除了氧原子的相干輻射機(jī)制被證明為超輻射[1,11,16]，關(guān)于N+2、Ar和 CO+2的相干輻射機(jī)制仍有較大爭議或尚未可知[4,7,9,14-15,17-23]。近幾年，科研人員對N+2空氣激光效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[4,7,9,17-23]。在采用鈦藍(lán)寶石激光器輸出的800 nm飛秒激光泵浦氮分子離子時，前向391.4 nm輻射相對于泵浦脈沖呈現(xiàn)出氣壓依賴的皮秒量級特征時間延遲。有研究表明，隨著等離子體絲長度的增加，391.4 nm輻射的時域輪廓出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。研究者們根據(jù)這些特征，認(rèn)為該相干輻射是超輻射[7,11,24]。而利用光參量放大器（optical parametric amplification，OPA）輸出的中紅外（middle infra-red，MIR）可調(diào)諧激光脈沖（1.1～2.6μm）泵浦氮氣分子離子時，前向391.4 nm輻射卻無顯著時間延遲，并沒有呈現(xiàn)出超輻射的特征。根據(jù)這一重要特征，作者提出在中紅外泵浦時，N+2的高能級激發(fā)態(tài)B2Σ+u和低能級X2Σ+g態(tài)是被中紅外激光脈沖通過三光子或五光子共振激發(fā)的，此時391.4 nm輻射本質(zhì)是自由感應(yīng)衰變（free induction decay,FID）效應(yīng)。FID是一種典型的相干瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)，是由大量發(fā)光原子或分子在具有共同的偶極距相位時產(chǎn)生的相干輻射，在多種原子和分子體系中均已被觀察到[25-27]。

與MIR激光脈沖泵浦N+2產(chǎn)生391.4 nm輻射信號相似，可調(diào)諧的MIR激光脈沖泵浦CO2時，可產(chǎn)生來自CO+2的波長約為337 nm的相干輻射[14]。該輻射對應(yīng)于CO+2從Πu（ν′=1）態(tài)到Πg（ ν=0）態(tài)的躍遷。然而， CO+2的這種相干輻射目前很少被關(guān)注，其性質(zhì)和物理機(jī)制在很大程度上是未知的。

本實驗通過改變泵浦波長、CO2氣壓等實驗參數(shù)，系統(tǒng)研究了可調(diào)諧中紅外激光脈沖泵浦CO+2產(chǎn)生的前向337 nm相干輻射。在中紅外激光波長1600～1700 nm、氣壓50～1 000 mbar的條件下，觀測到窄帶的337 nm輻射峰疊加在飛秒激光成絲過程中產(chǎn)生的寬帶5次諧波輻射之上。為研究337 nm輻射的時間特性，進(jìn)一步開展了泵浦-探測實驗。實驗中，在MIR泵浦脈沖之后，注入波長為800 nm的飛秒激光作為探測脈沖。光譜和時間分辨的結(jié)果表明，在時間零點之后，337 nm信號因為800 nm探測脈沖的作用而顯著下降。隨著泵浦光和探測光時間延遲的增加，337 nm信號的恢復(fù)時間約為0.8 ps，這一關(guān)鍵信息給出了337 nm輻射的脈沖持續(xù)時間。更重要的是，在氣壓從50～700 mbar的變化過程中，337 nm輻射持續(xù)時間與氣壓幾乎無關(guān)，始終保持在0.8 ps左右。這一觀測結(jié)果表明來自CO+2的337 nm相干輻射的本質(zhì)是自由感應(yīng)衰變，與超輻射效應(yīng)的特征完全不同。本研究闡明了飛秒激光泵浦 CO+2產(chǎn)生的相干輻射的物理性質(zhì)，也進(jìn)一步豐富了強(qiáng)場物理中的FID現(xiàn)象，揭示了原子、分子體系與強(qiáng)場飛秒激光共振相互作用過程中FID效應(yīng)的普遍性。

1 實驗裝置與過程

實驗中使用Spectra-Physics公司的商用飛秒激光及OPA系統(tǒng)。該飛秒激光系統(tǒng)輸出中心波長為800 nm、重復(fù)頻率為1 kHz、脈沖寬度為35 fs的激光脈沖。實驗裝置如圖1(a)所示，圖1(b)為對應(yīng)的離子能級圖。

圖1 實驗裝置及能級示意圖Fig.1 Schematic diagram of theexperimental setup and energy level

飛秒激光系統(tǒng)（單脈沖能量為5.6 mJ）輸出的激光脈沖被分束鏡BS分成兩束能量均為2.8 mJ的激光。第一束激光通過反射鏡M1,M2,M3，然后泵浦一個OPA系統(tǒng)。OPA系統(tǒng)在中紅外范圍內(nèi)（1100～2600 nm）產(chǎn)生波長可調(diào)諧的激光脈沖，作為泵浦脈沖激發(fā)CO2氣體。在不同的波長條件下，中紅外泵浦激光脈沖的能量在100～200μJ之間變化。在實驗過程中，通過使用可調(diào)光學(xué)衰減片，將不同波長泵浦激光脈沖的能量固定在110 μJ。第二束800 nm激光脈沖在經(jīng)過光學(xué)衰減片后，脈沖能量降低到約170μJ，其作為探測光束。探測光先經(jīng)過反射鏡M4，M5，M6，再經(jīng)過二向色鏡DM反射后與中紅外泵浦激光脈沖合束。由反射鏡M5和M6組成的光學(xué)延遲線可以精確地調(diào)節(jié)MIR泵浦激光脈沖與800 nm探測激光脈沖之間的時間延遲。MIR泵浦激光脈沖和800 nm探測激光脈沖通過焦距35 mm的光學(xué)透鏡L1聚焦于純CO2氣體中。

在MIR泵浦激光的焦點附近，二氧化碳分子被光場電離，產(chǎn)生肉眼可見的長約3 mm的明亮等離子體細(xì)絲。在激光傳播方向，在光路上放置合適的光學(xué)濾波片（BG40或中心波長在400 nm的短波通濾波片）或中心波長為335 nm的干涉濾波片（帶寬為20 nm）進(jìn)行光譜濾波。經(jīng)過光學(xué)濾波片后，利用焦距為75 mm的光學(xué)透鏡L2收集前向輻射信號，將該信號耦合進(jìn)光纖探頭從而進(jìn)入光纖光譜儀（Avantes,AvaSpec-ULS2048CL-EVO）進(jìn)行光譜分析和記錄。

2 結(jié)果與討論

圖2實驗結(jié)果展示了CO2等離子體的前向輻射光譜隨泵浦激光波長和氣壓的變化。在圖2(a)中，氣壓固定為140 mbar；在圖2(b)中，泵浦激光波長固定為1620 nm。圖2(a)展示了調(diào)諧泵浦激光波長過程中獲得的前向輻射光譜。受干涉濾波片20 nm帶寬的限制，光譜儀僅記錄了325～355 nm的光譜范圍，這一光譜范圍對于觀測337 nm信號是足夠的。

圖2 CO2等離子體的前向輻射光譜隨泵浦激光波長和氣壓的變化Fig.2 The forward radiation spectra of the CO2 plasma varies with the wavelength of the pump pulses and the pressure

由圖2 (a)可以看出，在泵浦激光波長從1590 nm調(diào)諧到1670 nm的過程中，輻射光譜中除了中紅外泵浦激光產(chǎn)生的寬帶5次諧波外，在337 nm附近有明顯的窄帶雙峰輻射光譜信號。該337 nm輻射來源于 CO+2從Πu（ ν′=1）態(tài)到Πg（ ν=0）態(tài)的能級躍遷，而光譜分裂導(dǎo)致的雙峰結(jié)構(gòu)源于Renner-Teller效應(yīng)[14]。隨著泵浦激光波長的增加，5次諧波的光譜中心不斷紅移。當(dāng)泵浦激光波長進(jìn)一步調(diào)諧到1670 nm以上時，不斷紅移的5次諧波主導(dǎo)了前向輻射光譜，337 nm輻射不再顯著。進(jìn)一步研究337 nm輻射與CO2氣壓的關(guān)系，實驗結(jié)果如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，隨著氣壓從50 mbar增加到1000 mbar，337 nm輻射和5次諧波信號的光譜強(qiáng)度都逐漸增強(qiáng)，而光譜線形幾乎沒有變化。

為了深入理解該輻射的時間動力學(xué)過程，時間分辨測量是必要的。實驗中，337 nm輻射的強(qiáng)度相當(dāng)弱，而且始終疊加在5次諧波之上，因此無法采用廣泛應(yīng)用的和頻技術(shù)來測量其時域輪廓[7]。因此，實驗中改變研究思路，使用一個延遲的800 nm飛秒脈沖作為探測脈沖，抑制該輻射過程[10,28]。這一抑制效應(yīng)基于光譜強(qiáng)度隨雙光束之間延時的變化，進(jìn)而能夠提供該輻射持續(xù)時間的重要信息。實驗中，控制探測脈沖能量為170μJ，使其可將二氧化碳分子微弱電離。僅用探測激光脈沖激發(fā)CO2氣體，用肉眼能觀測到非常微弱的等離子體發(fā)光，這證實了電離的發(fā)生。此外，實驗中還確保僅有探測脈沖激發(fā)情況下，不存在337 nm輻射信號。

在該泵浦-探測實驗中，首先展示了當(dāng)時間延遲τ接近于零點時，在403 nm附近出現(xiàn)一個強(qiáng)度極高的光譜成分。時間延遲零點附近3個典型延時的實驗結(jié)果如圖3所示。泵浦激光和探測激光脈沖之間的延遲顯示在3個子圖中。為了便于比較，在圖3(b)中將375～425 nm的光譜強(qiáng)度乘以0.01。正值時間延遲表示800 nm探測激光脈沖滯后于中紅外泵浦激光脈沖，負(fù)值延遲時間則相反。在圖3(a)中，當(dāng)時間延遲τ=-1 ps時，除了337 nm處的輻射峰、5次諧波信號（在334 nm附近）以及3次諧波信號（在540 nm附近）外，可以注意到403 nm附近探測到微弱的新光譜成分。在τ=0 ps時，它的強(qiáng)度比3次諧波和5次諧波的光譜強(qiáng)度高大約2個數(shù)量級。而在τ=1 ps時，它的強(qiáng)度降低到幾乎無法探測。鑒于該光譜信號所在的波長位置，可將其歸因于泵浦激光脈沖和探測激光脈沖的四波混頻效應(yīng)。

圖3 在泵浦激光脈沖和探測激光脈沖不同延時條件下的CO2等離子體前向輻射光譜Fig.3 Forward radiation spectra of CO2 plasma with different delay conditions of pump laser pulses and probe laser pulses

顯而易見的是，泵浦和探測激光脈沖的時間重疊程度對該信號強(qiáng)度變化至關(guān)重要，兩者偏離時間零點的情況下，信號強(qiáng)度則極大降低直至消失。由于主要關(guān)注的是337 nm附近的光譜信號，因此將光學(xué)濾波片改為干涉濾波片（bandpass filter,BP335）。在后續(xù)的時間分辨測量中，過濾出335 nm附近的±10 nm寬的光譜成分。

圖4展示了在不同的3個典型CO2氣壓條件下，前向輻射的光譜和時間分辨測量結(jié)果，氣壓分別為50，150，310 mbar。圖4(a)～(c)顯示了在不同氣壓下，337 nm附近的光譜成分的時間分辨測量結(jié)果。延遲-1～-0.5 ps的情況下，800 nm探測脈沖被關(guān)閉，因此其信號強(qiáng)度為僅有泵浦脈沖情況下的信號強(qiáng)度。在-0.5 ps時，800 nm探測脈沖開啟。圖4(d)～(f)是337 nm光譜強(qiáng)度隨著延時的變化，與上列的圖4(a)～(c)相對應(yīng)。

圖4 不同氣壓條件下CO2前向輻射光譜與延時的關(guān)系Fig.4 Relation between forward radiation spectra of CO2 and delay with different atmospheric pressureconditions

為了全面了解探測激光脈沖對337 nm輻射的影響，探測激光脈沖在τ=-1～-0.5 ps的區(qū)間內(nèi)被關(guān)閉。因此，在τ= -1～-0.5 ps的區(qū)間呈現(xiàn)的輻射光譜對應(yīng)于僅有泵浦激光脈沖情況下的輻射光譜。在τ=-0.5 ps時，探測激光脈沖開啟，且在時間上領(lǐng)先于泵浦激光脈沖。當(dāng)探測脈沖開啟后，337 nm輻射的信號強(qiáng)度在不同氣壓下均呈現(xiàn)出一定增強(qiáng)。輻射信號的這一增強(qiáng)效應(yīng)，可以歸因于800 nm探測激光脈沖對CO2分子的預(yù)電離作用。對于能量為170μJ的探測激光脈沖，在數(shù)值孔徑為0.05的聚焦透鏡聚焦下，其激光強(qiáng)度約為5×1013W/cm2量級，在其焦點附近能夠?qū)怏w分子電離。在微弱等離子體絲預(yù)先存在的情況下，已經(jīng)形成了一定濃度的處于基態(tài)的 CO+2。對于這部分處于基態(tài)的CO+2，MIR激光脈沖可以直接和其發(fā)生相互作用，而無需MIR脈沖電離中性CO2分子。因此，在不考慮微弱預(yù)等離子體對后續(xù)MIR傳輸影響的情況下，總的等離子體濃度因為預(yù)等離子體的存在而有所上升，從而導(dǎo)致其輻射信號有所增強(qiáng)。這與氧原子空氣激光研究中采用預(yù)解離脈沖解離O2分子為氧原子的情況類似。在那種情況下，O2分子的預(yù)解離導(dǎo)致氧原子的輻射增強(qiáng)和激發(fā)閾值降低[1,29]。

其次，圖4(a)～(c)中顯示出當(dāng)探測激光脈沖和泵浦激光脈沖在時域上重疊時(τ=0 ps)，5次諧波和337 nm輻射的信號強(qiáng)度都增加了幾乎一個數(shù)量級。此情況下的信號增強(qiáng)有兩個方面的原因：第一，由于電離率對激光電場強(qiáng)度很敏感，而1600 nm和800 nm兩個激光脈沖在時間上重疊導(dǎo)致兩種不同頻率的激光電場相干疊加[13]，這樣可以產(chǎn)生更高濃度的等離子體；第二，800 nm飛秒脈沖將引起CO2分子的瞬態(tài)準(zhǔn)直，經(jīng)過準(zhǔn)直后的CO2分子在中紅外脈沖作用下更易電離，具有更高的電離率。在空氣等離子體形成過程中，兩個激光脈沖重疊導(dǎo)致等離子體密度增加已經(jīng)被觀測并報道過[30]。

對于正值的延時，800 nm探測激光脈沖滯后于MIR泵浦激光脈沖。337 nm光譜信號在τ=0 ps后出現(xiàn)陡然下降，并且在大約0.8 ps的時間尺度內(nèi)呈現(xiàn)出一個緩慢恢復(fù)過程。這種337 nm光譜信號的降低源于800 nm探測激光脈沖對CO2分子的弱電離而導(dǎo)致的337 nm輻射抑制。由800 nm探測激光脈沖制備的CO+2絕大部分處于基態(tài) X?2Πg態(tài)，而不是激發(fā)態(tài)。這是由于非共振的800 nm探測激光脈沖強(qiáng)度較弱，最終 CO+2在不同能級上的布居以指數(shù)形式依賴于電離能，因此電離產(chǎn)生的離子絕大多數(shù)處于離子基態(tài)，并不具有～態(tài)之間的初始偶極矩。在粒子布居注入到基態(tài) X?2Πg的情況下，等離子體中態(tài)和態(tài)的總體宏觀極化將會減小。因此，在800 nm探測激光脈沖電離二氧化碳分子并在離子基態(tài)注入一定濃度離子的情況下，337 nm輻射信號會受到抑制。在大約0.8 ps后，337 nm輻射信號的強(qiáng)度恢復(fù)到僅有MIR泵浦脈沖時的信號強(qiáng)度。這一觀測說明337 nm輻射在0.8 ps之內(nèi)結(jié)束，即該輻射的持續(xù)時間約為0.8 ps。最重要的觀測是，在不同氣壓條件下，該信號的恢復(fù)時間始終為0.8 ps，幾乎保持不變，見圖4(a)～(c)。

在CO2氣壓更大的變化范圍內(nèi)，337 nm信號強(qiáng)度隨時間延遲τ的變化如圖5所示。可以看到，即使在700 mbar以上更高的氣壓條件下，信號恢復(fù)時間仍然是1 ps左右。這一特征與超輻射過程的性質(zhì)不同。在超輻射過程中，由于發(fā)光分子或原子之間的協(xié)同作用，隨著氣壓的增加，輻射過程顯著加速，輻射持續(xù)時間與氣體壓力成反比[1,7,11,16,24]。相比之下,本研究觀測到的C O+2輻射具備光學(xué)自由感應(yīng)衰變的性質(zhì),即受激發(fā)的輻射原子或分子集體以一種相干方式向外輻射，而各個輻射離子之間的協(xié)作效應(yīng)并未體現(xiàn)，所以并不能通過增加氣體密度來加速輻射過程[25-27]。可見，來自于二氧化碳分子離子的337 nm相干輻射在本質(zhì)上屬于自由感應(yīng) 衰變輻射。

圖5 不同氣壓下337 nm光譜隨泵浦與探測脈沖之間延時的變化Fig.5 Variations of the spectra at 337 nm with the delay time between pump and probe pulses under different pressure conditions

在圖5中，還有一個特征值得注意。在氣壓相對較低的50～400 mbar范圍內(nèi)，337 nm信號在探測脈沖開啟時(τ=-0.5 ps)始終呈顯出一定增強(qiáng)。然而，在氣壓更高的450～700 mbar的范圍內(nèi)，這種增強(qiáng)不再顯著。可見當(dāng)氣壓較高時，預(yù)電離形成的等離子體密度變大，其對隨后的MIR激光脈沖將具有顯著的散焦作用。由于預(yù)電離形成的等離子體的散焦作用，MIR泵浦激光脈沖的聚焦強(qiáng)度將下降，導(dǎo)致MIR泵浦 CO+2效率降低。而當(dāng)氣壓較低時，由于預(yù)電離形成的預(yù)等離子體密度較低，這種散焦效應(yīng)可以忽略。因此，在較高的氣壓條件下，由預(yù)電離形成的等離子體引起的輻射增強(qiáng)效應(yīng)與MIR泵浦激光強(qiáng)度降低導(dǎo)致的輻射減弱效應(yīng)相互抵消，最終導(dǎo)致光譜信號在800 nm探測脈沖開啟時并無明顯變化。

3 結(jié)論

對MIR可調(diào)諧飛秒激光泵浦 C O+2產(chǎn)生的337 nm相干輻射進(jìn)行了系統(tǒng)實驗研究。首先測量了該輻射與泵浦激光波長和氣壓這兩個關(guān)鍵實驗條件的依賴關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵浦激光的5倍頻接近于二氧化碳離子的Πu(ν′=1) →Πg(ν =0)躍遷頻率時，波長為337 nm的信號能夠被共振激發(fā)，呈現(xiàn)為疊加在5次諧波之上的窄線寬輻射峰。為了揭示337 nm輻射的時域動力學(xué)過程，實驗中采用泵浦探測方法。該方法基于延遲的800 nm飛秒激光由于電離注入基態(tài)C O+2引起的337 nm信號損耗。在時間零點之后，在氣壓從50 mbar增加到700 mbar的過程中，結(jié)果顯示337 nm輻射信號的持續(xù)時間基本維持在0.8 ps左右。可見，337 nm輻射的性質(zhì)是由共振五光子激發(fā)的自由感應(yīng)衰變，其物理圖像類似于可調(diào)諧MIR激光脈沖泵浦的 N+2產(chǎn)生的自由感應(yīng)衰變過程。本研究闡明了可調(diào)諧MIR激光脈沖泵浦CO+2產(chǎn)生的337 nm相干輻射的物理機(jī)制，進(jìn)一步指出了強(qiáng)飛秒激光共振激發(fā)不同的原子或分子時自由感應(yīng)衰變輻射的普遍存在性。