淺談空氣激光

1. 什麼是空氣激光？

相信大家看到這個標題的時候，大都會在腦海浮現出這個問題——什麼是空氣激光，顧名思義，空氣激光也就是以空氣中的分子或原子作為增益介質產生的激光。空氣激光沒有傳統激光器所必需的諧振腔，所以它的增益長度非常有限，當然，在泵浦光的作用下，增益介質的上下能級實現了粒子數反轉，這時候，一些比較弱的信號，如熒光、泵浦光的諧波或者泵浦光產生的超連續白光，它們的光譜如果可以覆蓋到這反轉的上下能級，就能實現放大。

空氣激光跟我們一般的激光器產生的激光不一樣，它的光斑質量和激光強度等方面跟大多數激光器產生的激光是無法相比的，不過，研究空氣激光也不是為了造出新的激光器，而是由於空氣激光有著準直性好、傳輸距離遠等在遠程探測方面的優勢，使得它在空氣污染物和遠距離爆炸物的監測方面具有重要的應用前景。

2. 探測原理

傳統的遠程大氣探測收集的是背向散射光或者熒光，散射光和熒光屬於非相干光，他們的方向性差，隨著傳輸距離增加，信號強度急劇降低，所以在探測點收集到的信號強度弱，信噪比差，探測的原理如上面的左圖。上面的右圖展示了空氣激光遠程探測的原理，如果以泵浦光作為激勵源，空氣分子作為增益介質，產生背向激光，由於激光屬於相干光，方向性好，亮度高，傳輸距離遠，增益係數高等特點，所得到的信號的強度可以大大提高，並且信噪比也跟熒光和散射光相比得到了很大的改善，在大氣痕量污染物監測、霧霾組分分析、爆炸物與核污染遠程探測等環境監測和國防安全等國家重大需求領域具有誘人的應用前景。

3. 空氣激光的產生及分類

收集的背向空氣激光需要跟非線性指紋光譜技術結合，來分析空氣成分，達到遠程探測的目的。空氣激光又是怎麼產生的呢？在空氣中，氮氣和氧氣占的比例最大，兩者佔比之和高達百分之九十九，所以空氣激光的增益介質主要以氮和氧為主。當然，這裡的氮和氧不只是指氮氣和氧氣分子，也指由氮氣和氧氣解離產生的氮原子和氧原子，電離產生的氮氣分子離子和氧氣分子離子，可以通過增益介質的形態把空氣激光分為這三類，下面簡單介紹下這三類空氣激光

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氮氣分子激光

最早的空氣激光研究是利用微波放電產生等離子體，然後通過等離子體中的自由電子碰撞激發氮氣分子，產生粒子數反轉，從而實現氮氣分子激光的輸出。隨著調Q、鎖模、啁啾脈衝方法等重要技術的突破，激光脈衝的脈寬越來越短，能量越來越高，聚焦光強也越來越強，等離子體的產生完全可以依靠飛秒激光成絲實現。飛秒激光成絲是指聚焦的飛秒激光在焦點附近，由於克爾效應產生的自聚焦和等離子散焦的動態平衡，使得飛秒激光脈衝在空氣中形成很長的、較為穩定的激光通道。用激光成絲代替微波放電的方法最早是由拉瓦爾大學的S L Chin研究小組提出的。空氣中的另外一個主要成分——氧氣會對氮氣分子的激發產生很強的猝滅效應，這也對氮氣分子激光的產生帶來的很大的困難，這個缺點使得氮氣分子激光在實際的大氣中很難產生，因而難以投入使用。

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氧原子空氣激光

氧原子空氣激光的產生最早是由美國Scully 研究組發現的，是通過大能量紫外皮秒激光碟機動，通過雙光子共振解離，解離的氧原子通過共振吸收躍遷到激發態，從而實現粒子數反轉，得到中心波長為845納米的光子，通過這種方式實現的粒子數反轉增益係數很高。如下圖所示，氧原子空氣激光先用紅外納秒光預解離氧氣，然後通過波長為226nm 的紫外激光脈衝雙光子共振激發氧原子，產生波長為 845nm 的背向氧原子激射信號。氧原子空氣激光的優點是信號持續時間長，信號強度強，並且能在背向傳輸，但是，紫外光在大氣中是非常容易被吸收的，因此泵浦光很難在大氣中實現遠距離的傳輸，同時也就難以實現遠距離探測的應用目標了。

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氮氣分子離子激光

氮氣分子離子激光是最近幾年新發現的一種空氣激光，氮氣電離一個電子產生的氮氣分子離子作為增益介質，最早在2011年由上海光機所的Yao等人用中紅外波長可調的激光脈衝在氮氣中成絲髮現。但是到目前為止，其氮氣分子離子產生的物理機制還備受爭議，因此氮氣分子離子激光仍是目前的研究熱點。目前的氮氣分子離子激光在低壓下觀察到了背向信號，還沒有在真實大氣中看到氮氣分子離子的背向激光，因此還需要進一步研究。

理想和現實總會有些差距，新事物的誕生總會面臨重重困難，雖然空氣激光有這麼多遠程探測方面的優點，但是也因為難以在真實大氣環境中產生背向傳輸的信號，所以空氣激光還沒有投入實際的應用，相信通過科研工作人員的後續研究，可以攻破難題，實現遠程探測方面的技術突破。

上海光機所研究生會

星光編輯部

作者：許波（優秀獎）

編輯：落花成詩

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