近日，精密光谱科学与技术国家重点实验室吴健教授团队在空气激光的结构化研究中取得重要进展，研究成果以“Generation of vortex N2+ lasing”为题，于2023年 5月31日发表在光学顶级期刊Optica。论文以华东师范大学为第一完成单位，吴健教授为通讯作者，物理与电子科学学院2020级强基计划学生胡悦为论文第一作者。
该团队利用携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）的近红外飞秒激光脉冲泵浦氮气分子，首次实现了涡旋氮气离子激光的产生，为可切换波长高亮度远程结构光场产生提供了一种新方案。
传统的光场调控通常局限于某个特定的自由度，如偏振、频率等。然而，通过在时间与空间上协同调整光的多个自由度，可获得各种新奇复杂的结构光。按需“定制”的结构光在跨学科领域展现了强大应用潜力：如，“甜甜圈”形状的空心光束是实现超越衍射极限的受激发射损耗显微镜（STED）的关键点（2014年诺贝尔化学奖），矢量涡旋光束利用其特有的复用能力与神奇的波前自愈特性实现远程大容量通信等等。尽管如此，在更快的时间尺度、更大的空间范围操控光场仍是一个挑战（如在飞秒的超快时间尺度、在野外超大空间范围）。
得益激光成丝的长传播距离和光与物质相互作用的即时响应，飞秒强激光脉冲诱导的各种非线性光学过程能够为远程超快结构光提供工具包：我们可以在光源处“定制”，即对泵浦光进行整形，再通过非线性光学效应，将泵浦光中构建好的结构转移到所需频率的新生信号光。这种从泵浦光到信号光的结构转移已在广泛的非线性光学过程中被观察到：如四波混频、受激拉曼散射和高次谐波产生等。令人遗憾的是，这些过程仅能在某些特定介质（如碱蒸汽、稀有气体）中发生，这给控制自由空间中的结构光带来了困难。
作为一种出现在寻常大气中的新型无谐振腔式激光，空气激光引起了人们的兴趣。它以无处不在的空气作为增益介质，利用强激光超短脉冲的远程激发作用，可在大气中任意位置随时产生高亮度激光。其中，氮气离子激光由于其高亮度及丰富可调谐的波长备受关注。这得益于空气中氮气分子的高含量与氮气分子的复杂振转能级结构。这为构造一种波长可调、性质优异的自由空间远程结构光源提供了可能。
实验设计原理
吴健教授团队从最经典的一种结构光——光学涡旋出发，利用携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）的近红外飞秒激光脉冲电离与泵浦氮气分子，首次观察到了轨道角动量与涡旋结构从泵浦光到新生激光信号的转移，实现了涡旋氮气离子激光的产生。
产生的涡旋氮气离子激光
更令人惊喜的是，在高泵浦脉冲能量下，相比于高斯光束作为泵浦光的情况，涡旋泵浦可以达到更高的氮气离子激光产生效率：泵浦光的涡旋结构降低了光丝的轴上等离子体密度，减少了等离子体对激光脉冲的散焦作用，打破了固有的光强钳制效应。这得益于涡旋泵浦光诱导的飞秒光丝在高泵浦脉冲能量下表现出空间尺度更长，能量分布更均匀的特性。氮气离子激光强度较低一直是阻碍其进入广泛应用的问题，这一发现为氮气离子激光的放大提供了一种巧妙的方案：通过对泵浦光进行精细调整，来改变飞秒光丝的空间分布，最终优化出最适宜氮气离子激光产生的条件。
高泵浦能量下更长更均匀的飞秒光丝
工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持与资助。
美国光学学会是光学领域权威的国际性学术组织，其中Optica作为美国光学学会同名旗舰期刊，属于光学领域顶级期刊，即时影响因子10.644。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.489206