激光脉冲“雕刻”空气波导，为大气监测提供新思路

传统光纤和平面波导等光波导由被折射率较低的包层包围，光通过核心包层边界的全内反射被有效限制在核心中。这类光纤可传输超过100 km光，但重力、距离和功率限制使这种物理波导很难应用于大气监测和高功率激光传输。若直接通过空气发送光，会因衍射效应导致光束扩散。使用激光脉冲“雕刻”空气中的波导，可在不受干扰的空气中心核心周围产生低密度包层，从而解决上述问题。马里兰大学帕克分校的Andrew Goffin及其同事使用一种带有“甜甜圈”形光束的新方法，在空气中创建了一个45 m长的波导，比他们之前建立的空气波导记录远60倍。这一突破可能使高功率激光脉冲能够传送到远程目标，为大气监测和高功率传输提供新思路。

空气波导的原理是发射飞秒激光脉冲，在空中打开一个通道，让“探针”脉冲通过该通道。第一个脉冲通过加热空气成分（如N₂、O₂和惰性气体）在芯和包层之间产生必要的折射率对比度。被加热的空气受热膨胀，使包层的密度低于周围空气的密度，由此产生的空气波导可以持续几毫秒，探头信号足够在几毫秒的时间内通过。

但有人可能会问，为什么第一个激光脉冲能够在探头之前传播而不会扩散呢？因为存在一种被称为成丝现象的非线性过程，该过程是由空气中两种产生竞争效应平衡而形成：即克尔非线性引起的自聚焦效应和脉冲本身产生的等离子体形成引起的散焦效应。在线性传播条件下，细丝可以使激光场保持在比衍射所允许的距离大得多的范围内。但是，激光细丝宽度不能超过20 μm，且峰值强度不大于10¹⁴ W/cm²，从而限制了细丝芯中的平均功率。因此，飞秒激光脉冲产生的细丝本身无法提供高功率。但脉冲的细丝会加热空气、产生等离子体，形成低密度“孔”。这些低密度“孔”的折射率低于周围的空气，当它们被排列成多个低密度通道并围绕更密集的空气核心时，可形成类似光纤的包层。

Andrew Goffin及其同事在2014年首次展示了空气波导的原理。在早期的实验中，该团队将红色激光束穿过四段掩模，以形成四个方形图案的激光丝。这些细丝形成了一个“光栅栏”，将光线限制在其核心内，他们成功使用这种空气波导在70 cm长的空气中传输了110 mJ的绿光脉冲。

如今，该团队已在早期工作的基础上实现了重大突破。早期空气波导的长度较短是由于“光栅栏”的细丝数量较少，限制了波导的宽度以及核心和包层之间密度对比的强度。为了增加细丝数量，可使用更多段的掩模来产生更多的细丝。然而，实际应用中很难保证这些段产生能量相等且相位前沿局部平滑的波束瓣。作者使用了“甜甜圈”形状的光束（专业术语称为平滑的Laguerre-Gaussian LG₀₁模式），利用螺旋相位板生成此模式，该相位板将激光集中到直径为几毫米的环中（图1）。集中的光会在甜甜圈形光环周围产生均匀分布的细丝。在局部激光通量保持不变的情况下，使用更大的光束会自动产生更多的细丝，从而使产生的包层以覆盖整个波导圆周。

图1 “甜甜圈”形状的激光脉冲“雕刻”的空气波导

在他们实验室旁边的走廊里，作者演示了45 m长的空气波导管。波导发生器是一个波长为800 nm，总能量为120 mJ的300 fs激光脉冲。这个脉冲被标记为LG01甜甜圈模式，使其在一个直径5.6 mm的环周围形成大约30根细丝。利用产生的波导，研究人员发射了一个波长为532 nm、总能量为1 mJ的7 ns探测脉冲。图2显示了探测激光在不同传播距离下的平均强度，第一行是没有波导的情况，而第二行是空气波导，有波导时传输的光量比没有波导时大20%左右。研究人员还表明，空气波导的寿命长达数十毫秒。

图2 探测激光在不同传播距离下的平均强度

然而，这种波导方案存在一些缺点，比如传播损耗相对较高，导波束的模式剖面较差，以及在空气波导时能耗较高。经计算，目前的波导长度还未接近该技术的理论极限。为了提高系统性能，下一步计划改进空气波导，使甜甜圈形光环更均匀，以增加探测长度和引导效率。

原文链接：

https://physics.aps.org/articles/v16/11#