讓空氣發光的人

本文圍繞2022年度上海市自然科學獎一等獎項目“超快強光場驅動的空氣激光研究”展開。該獎項由上海理工大學光電信息與計算機工程學院劉一教授與中國科學院上海光學精密機械研究所等單位合作完成。

如何低成本高靈敏監測大氣污染物的含量一直是光學遠程遙感技術研究的重點。對于大氣遙感應用而言，一個理想的方式是直接以空氣為增益介質，利用短脈沖強激光的遠程激發作用，在大氣中任意位置制造出高亮度激光，用于探測大氣中的痕量污染物分子。

此前，上海理工大學光電信息與計算機工程學院劉一教授與中國科學院上海光學精密機械研究所（后簡稱“上海光機所”）等單位合作完成的“超快強光場驅動的空氣激光研究”項目榮獲2022年度上海市自然科學獎一等獎。

研究人員發現，利用強激光照射空氣中的氮氣可以生成氮離子空氣激光，且生成的這種激光的振動方向（偏振）跟泵浦激光的振動方向是一致的。

通過精確控制泵浦激光脈沖的參數，研究團隊成功實現了空氣激光的穩定產生，并能夠調節產生的空氣激光的波長，為定制化激光輸出提供了可能。此外，這項技術在大氣污染物的高靈敏測定方面展現出巨大潛力，它能夠通過受激拉曼效應實現對微量污染物、同位素分子的精準檢測。

該研究成果將強場激光物理和量子光學兩個領域聯系了起來，不僅加深了人們對強激光場下分子和離子行為的基礎理解，還對光譜學、激光技術、大氣遙感等領域的發展至關重要。

偶然收獲，掀起空氣激光研究的熱潮

2003年，空氣激光的概念被提出。人們發現將超強激光發射到空氣中激發空氣分子，其背向有可能得到受激輻射，本質上是強場激發或電離產生的激光現象。

“2011年，上海光機所程亞課題組第一次在實驗中看到可信的證據，但是從具體機制和理論上來說，大家還是不太理解的。在過去的十幾年中，大家都在不斷嘗試從理論上解釋這個現象。”劉一教授介紹道。

2011年，上海光機所與吉林大學等單位合作，利用中紅外可調諧飛秒激光出人意料地發現了強光場驅動空氣分子電離產生的窄線寬、高亮度、多波長相干輻射——隨后被廣泛地稱為空氣激光。

強場電離誘導的空氣激光現象被報道后，來自美國、法國、加拿大、日本、奧地利等國的諸多國際頂尖研究團隊紛紛開展了相關研究，由此掀起了空氣激光研究的熱潮。如今，空氣激光已發展成為超強超快光物理領域的前沿方向。

95%的時間在為實驗做準備

“很多實驗的準備工作是非常復雜的，成功摸索到合適的實驗條件是要耗費大量時間和精力的。我經常跟學生開玩笑說，完成一篇博士論文要花幾年時間，如果實驗條件準備好，得到論文中的實驗結果其實一周就可以完成。那么，為什么要花幾年的時間呢？因為95%的時間是在做準備，只有5%的時間是在做實驗。”劉一教授笑稱。

2014年到2018年，劉一教授團隊和瑞典隆德大學教授安妮·呂利耶（Anne L' Huillier）開展了合作，后者是2023年的諾貝爾物理學獎獲得者。

劉一教授回憶道：“我們有一篇合作論文發表在物理學的頂級期刊上，這篇論文的實驗結果是在某個星期四的晚上大家一起熬通宵獲得的。當時，安妮·呂利耶說，既然準備工作做好了，晚上無論如何也要把實驗完成。”當天晚上一共有7個人進行實驗：2個中國人，1個法國人，1個德國人，1個英國人，2個瑞典人。到了凌晨4點，實驗才結束。

劉一教授說：“法國課題組的組長當天下午從巴黎趕到瑞典，他說，無論實驗多晚結束，都要通知他。凌晨，我回到賓館，沒有敲他的房門，而是給他發了短信，告訴他實驗結束了。誰知，他立馬打電話給我，說要馬上跟我討論實驗結果。第二天一大早，他沒休息就回巴黎了。”從這些科學家身上，他看到了十分可貴的對科研工作的熱情。

空氣激光生成的前置步驟

空氣激光是一種基于強場電離效應產生的激光現象，整個過程的第一步就是把強激光聚焦并射入空氣。

劉一教授的團隊利用先進的飛秒激光技術，產生了持續時間在10-15秒量級的超短激光脈沖。這些強場脈沖不僅持續時間極短，而且具有極高的峰值功率，為后續的實驗奠定了基礎。

超短激光脈沖的光，強到什么程度？

劉一教授解釋說：“我們中學學過原子的組成，電子之所以圍繞原子核轉動，是因為原子核存在電場，即庫侖場，該電場會束縛住電子，使其不能逃離。強光場與庫侖場接近，甚至比它還要強多個數量級，一般在1014瓦/平方厘米之上。在這樣的強光照射下，電子被電離，脫離原子，成為自由電子。”

“過往的研究都認為，電離之后，離子處于基態的概率更大，處于激發態的概率更小。但是實際上通過實驗我們發現，離子處于激發態的概率可能更大，而處于基態的概率較小，這個強場電離新效應是人們以前不知道的。”

在強光場的作用下，空氣中的分子和原子會發生隧穿電離、多能級耦合、振動態和轉動態激發等復雜的非線性效應。這些效應是空氣激光產生的關鍵。

在特定條件下，強光場引發的等離子體能夠放大特定波長的光，形成空氣激光。這種激光通過光學放大，最終實現穩定的激光輸出。團隊通過精細調控激光脈沖的能量、相位和空間分布，成功實現了空氣激光的穩定產生。

控制氮離子空氣激光的偏振

偏振是對激光電場振動方向的一種描述，對于控制和應用激光具有重要意義。在光學通信、材料加工和生物成像等領域，激光的偏振狀態能夠顯著影響其效果和精度。

在傳統的激光研究中，偏振狀態通常由激光器的設計決定。然而，空氣激光的偏振特性主要受激光與氣體分子相互作用的動態過程影響，這使得其偏振控制變得比較復雜。

劉一教授團隊的實驗結果表明，氮離子空氣激光的偏振狀態與泵浦光偏振、注入種子光的偏振、種子光的強度、光學放大的程度都有關系。近期的研究工作全面地理解了復雜偏振效應的主要原因，解決了一個多年懸而未決的謎題，為在各個維度上進一步控制氮離子空氣激光奠定了基礎。

通過調整激光脈沖的參數，可以控制產生的空氣激光的波長和頻率。這一發現為特定應用需求的定制化激光輸出提供了可能。例如，在通信領域，不同波長的激光可以用于不同的通信信道，以提高通信的帶寬和效率。

劉一教授表示：“空氣中的氮氣、氧氣等在合適的激發條件下都可以發射空氣激光。之所以選擇氮氣，一方面是因為氮氣在空氣中的比例最高，另一方面是因為氮氣可以用我們超快光學實驗室常見的鈦寶石激光器來進行激發，做實驗比較便利。”

助力大氣污染物高靈敏檢測

空氣激光可以與空氣中的污染物分子相互作用，人們通過檢測并分析產生的光譜信號，就可以識別和量化污染物。

在傳統光學遠程探測中，一般是通過激光激發空氣中的污染物分子，使其從基態躍遷到激發態，然后返回基態時發射熒光。這個熒光信號可以被探測器收集和分析，從而幫助人們識別污染物的種類和濃度。與傳統激光激發熒光信號不同，空氣激光是具有方向性的相干光，可以攜帶待檢測分子的信息，這使其在大氣環境中的傳輸和應用具有極大優勢。

“這個發現給光學遠程遙感提供了新的技術方案，這是不同于以前的傳統光學遙感的新方案。這個方案在提升大氣污染物檢測的靈敏度和探測極限方面有極大潛力。”劉一教授表示。

氮離子空氣激光能夠產生強烈的、具有方向性的光信號，而這種光信號在空氣中的傳播幾乎不會衰減。這使得其在檢測微量污染物時具有極高的靈敏度。

在大氣環境中，當某些污染物的濃度非常低時，傳統的檢測方法可能難以準確測定，而高靈敏度的氮離子空氣激光則可以捕捉到這些微弱信號，從而實現對微量污染物的精準檢測。

空氣中每種污染物的光譜特性都不同，通過對相互作用后氮離子空氣激光光譜的精細分析，人們可以準確區分不同污染物的成分。利用這種方法，人們還可以在復雜的空氣環境中對多種污染物同時進行高分辨率檢測和分析。

“傳統的空氣污染物檢測方法通常需要經過采樣、運輸、實驗室分析等多個步驟，耗時較長，難以實現實時監測，而空氣激光技術可以在大氣中直接生成和檢測光信號，具有即時性和便捷性的優勢。這種實時監測能力為應對突發的空氣污染事件提供了快速響應和決策支持的可能性。”

劉一教授表示：“未來，一方面，我們希望這項研究能夠走向規模化應用，在大氣探測方面發揮實際價值；另一方面，我們希望該研究對于強場物理研究有所貢獻，希望該效應具有普適性，對其他課題也具有貢獻。”