近日，我院刘一教授带领的超快非线性光学团队在庄松林院士的指导下，在空气激光的研究方面取得重要进展。空气激光是近几年来超快光学领域的一个前沿热点课题。其利用空气作为激光增益介质，能够在远程大气中形成虚拟激光器，有望为光学远程探测提供全新概念的光源，如图1所示。该新概念光源有可能为大气污染探测，远程电磁辐射测量，战场痕量气体检测，精密测量等方面带来突破性提高。
图1.空气激光概念图
基于氮气离子的空气激光由于在高强度飞秒激光的作用下可以在前向产生很强的一系列相干辐射信号（如391.4nm和427.8nm），因此备受各方关注。氮气离子空气激光这一效应蕴含着丰富的物理内涵，包括相干辐射，超快电子过程和量子调控，亟待研究人员去理解和挖掘。最近，刘一教授团队在对氮气离子超辐射的相干控制实验中取得了重要进展。
实验中，我们通过注入两个不同频率的种子脉冲演示了不同振动能级间的相干控制，揭示了通过振动运动的量子相干传递特性。如图2.所示，高精度的脉冲间时间延迟的控制展示了不同频率光谱线之间的相干耦合。这种调制周期对应种子脉冲的波长，即391.4nm或427.8nm。理论上，我们采用微观分子弛豫模型解释了这些观察结果，强调了在激光作用过程中电子和振动态的量子相干性及其耦合的关键作用。我们的工作证明了在氮气离子相干辐射中量子相干性的作用，为研究瞬态激光过程(包括无反转激光)提供了新的视角。
该项研究是上海理工大学超快非线性光学团队与香港城市大学，华东师范大学深入合作的成果。研究成果发表在最新一期光学顶级期刊《Optica》上(论文链接见文末)，题为：“氮离子激射效应的相干控制：相干性转移”(Coherent control of the multiple wavelength lasing of : coherence transfer and beyond)。上海理工大学为第一单位。光电学院2018级博士生张翔和2020级博士生卢琦为该文的共同第一作者，刘一教授和香港城市大学张哲东教授以及华东师范大学Konstatin Dorfman教授为该文的共同通讯作者。
图2.427.8nm和391.4nm附近光谱强度随泵浦脉冲与种子脉冲391.4nm(τp-s1)时间延时的变化。
该项研究得到了国家自然科学基金重点项目，上海市教委科研创新重大项目，香港城市大学基础研究基金，上海市教委高水平地方大学建设“超快非线性光学”重点团队建设计划等的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.417804