让空气发光的人

【编者按】在上海市科学技术委员会资助（项目编号：22DZ2304300）下，澎湃新闻联合《世界科学》对获得国家及上海市科技奖励的获奖成果进行科普化报道。

本文围绕2022年度上海市自然科学奖一等奖项目“超快强光场驱动的空气激光研究”展开。该奖项由上海理工大学光电信息与计算机工程学院刘一教授与中国科学院上海光学精密机械研究所等单位合作完成。

如何低成本高灵敏监测大气污染物的含量，一直是光学远程遥感技术研究的重点。

对于大气遥感应用而言，一个理想的方式是直接以空气为增益介质，利用短脉冲强激光的远程激发作用，在大气中任意位置制造出高亮度激光，用于探测大气中的痕量污染物分子。

此前，上海理工大学光电信息与计算机工程学院刘一教授与中国科学院上海光学精密机械研究所等单位合作完成的“超快强光场驱动的空气激光研究”荣获2022年度上海市自然科学一等奖。

研究人员发现，利用强激光照射空气中的氮气可以生成氮离子空气激光，且生成的这种激光的振动方向（偏振）跟泵浦激光的振动方向是一致的。

通过精确控制泵浦激光脉冲的参数，研究团队成功实现了空气激光的稳定产生，并能够调节产生的空气激光的波长，为定制化激光输出提供了可能。此外，这项技术在大气污染物的高灵敏测定方面展现出巨大潜力，它能够通过受激拉曼效应，实现对微量污染物、同位素分子的精准检测。

该研究成果将强场激光物理和量子光学两个领域联系了起来，不仅加深了人们对强激光场下分子和离子行为的基础理解，还对光谱学、激光技术、大气遥感等领域至关重要。

偶然收获，掀起空气激光研究的热潮

2003年，空气激光的概念被提出。人们发现将超强激光发射到空气中激发空气分子，其背向有可能得到受激辐射，其本质上是强场激发或电离产生的激光现象。

“2011年，上海光机所程亚老师课题组第一次在实验中看到可信的证据，但是从具体机制和理论上大家是不太理解的。在过去的十几年中，大家都在不断尝试从理论上解释这个现象。”刘一教授介绍道。

2011年，中国科学院上海光机所与吉林大学等单位合作，利用中红外可调谐飞秒激光，出人意料地发现了强光场驱动空气分子电离产生的窄线宽、高亮度、多波长相干辐射，其随后被广泛地称为空气激光。

强场电离诱导的空气激光现象被报道后，来自美国、法国、加拿大、日本、奥地利等国的诸多国际顶尖研究组纷纷开展了相关研究，由此掀起了空气激光研究的热潮。如今，空气激光已发展成为超强超快光物理领域的前沿方向。

95%的时间在准备实验

“很多实验的准备工作是非常复杂的，成功摸索到合适的实验条件是要耗费大量时间精力的。我经常跟学生开玩笑说，完成一篇博士论文要花几年时间，如果实验条件准备好，得到论文中的实验结果其实一周就可以完成。那么为什么花了几年的时间呢？因为95%的时间是在做准备，只有5%的时间是在做实验。”刘一教授笑称。

2014年到2018年，刘一教授团队和瑞典隆德大学教授安妮·吕利耶（Anne L’Huillier）合作，后者是2023年的诺贝尔物理学奖的获得者。

“我们有一篇合作论文发表在物理学的顶级期刊上，这篇论文的实验结果是在某个星期四的晚上大家一起通宵获得的。”

“安妮·吕利耶说，既然准备工作做好了，晚上无论如何也要把实验完成。”刘一回忆道。

当天晚上一共有6个人进行实验，2个中国人，1个法国人，1个德国人，1个英国人，2个瑞典人。

到了凌晨4点，实验才结束。

“法国课题组的组长当天下午从巴黎赶到瑞典，他说，无论实验多晚结束，都要通知他。凌晨，我回到宾馆，没有敲他的房间门，而是给他发了短信，告诉他实验结束了。谁知，他立马打电话给我，说要马上跟我讨论实验结果。第二天一大早，他也没休息，就回巴黎了。”刘一说。从这些科学家身上，他看到了十分可贵的对科研工作的热情。

空气激光生成的前置步骤

空气激光是一种通过强场电离产生的激光现象，整个过程的第一步就是把强激光聚焦射入空气。

刘一教授的团队利用先进的飞秒激光技术，产生了持续时间在10^-15秒量级的超短激光脉冲。这些强场脉冲不仅持续时间极短，而且具有极高的峰值功率，为后续的实验奠定了基础。

超快激光脉冲的光，强到什么程度？

刘一教授解释说，“我们中学学过原子的组成，电子为什么围绕原子核转动？因为原子核有库仑场，电子不会逃走。强光场与库仑场接近甚至比它还要强多个数量级，一般在10的14次方瓦每平方厘米之上。在这样的强光照射下，电子就被电离成为自由电子了。”

“过往的研究都认为，电离之后，离子处于基态的概率更大，处于激发态的概率更小。但是实际上通过实验我们发现，离子处于激发态的概率可能更大，而处于基态的概率较小，这个强场电离新效应是人们以前不知道的。”

在强光场的作用下，空气中的分子和原子会发生隧穿电离、多能级耦合、振动态和转动态激发等复杂的非线性效应。这些效应是空气激光产生的关键。

在特定条件下，强光场引发的等离子体能够放大特定波长的光，形成空气激光。这种激光通过光学放大，最终实现稳定的激光输出。团队通过精细调控激光脉冲的能量、相位和空间分布，成功实现了空气激光的稳定产生。

控制氮离子空气激光的偏振

偏振是激光电场振动方向的一种描述，对于控制和应用激光具有重要意义。在光学通信、材料加工和生物成像等领域，激光的偏振状态能够显著影响其效果和精度。

在传统的激光研究中，偏振状态通常由激光器的设计决定。然而，空气激光的偏振特性主要受激光与气体分子相互作用的动态过程影响，这使得其偏振控制变得比较复杂。

刘一教授团队的实验结果表明，氮离子空气激光的偏振状态与泵浦光偏振、注入种子光的偏振、种子光的强度、光学放大的程度都有关系。近期的研究工作全面地理解了复杂偏振效应的主要原因，解决了一个多年悬而未决的谜题，为在各维度上进一步地控制氮离子空气激光提供了基础。

通过调整激光脉冲的参数，可以控制产生的空气激光的波长和频率。这一发现为特定应用需求的定制化激光输出提供了可能。例如，在通信领域，不同波长的激光可以用于不同的通信信道，提高通信的带宽和效率。

“空气的氮气、氧气、氩气等在合适的激发条件下，都可以发射空气激光。选择氮气一方面是因为氮气在空气中的比例最高，另一方面是氮气可以用我们超快光学实验室常见的钛宝石激光器来进行激发，做实验比较便利。”刘一教授介绍道。

助力大气污染物高灵敏检测

空气激光可以与空气中的污染物分子相互作用，通过检测并分析产生的光谱信号，就可以识别和量化污染物。

在传统光学远程探测中，通过激光激发空气中的污染物分子，使其从基态跃迁到激发态，然后返回基态时发射荧光。这个荧光信号可以被探测器收集和分析，从而识别污染物的种类和浓度。与传统激光激发荧光信号不同，空气激光是具有方向性的相干光，其可以携带待检测分子的信息，这使得其在大气环境中的传输和应用具有极大优势。

“这项发现给光学远程遥感提供了新的技术方案，这是不同于以前的传统光学遥感的新方案。这个方案有潜力极大提升大气污染物检测的灵敏度和探测极限。”刘一教授表示。

氮离子空气激光能够产生强烈的、具有方向性的光信号，而这种光信号在空气中的传播几乎不受衰减。这使得其在检测微量污染物时，具有极高的灵敏度。

在大气环境中，当某些污染物的浓度非常低时，传统的检测方法可能难以准确测定。而高灵敏度的氮离子空气激光则可以捕捉到这些微弱信号，从而实现对微量污染物的精准检测。

空气中每种污染物的光谱特性不同，通过对相互作用后氮离子空气激光光谱的精细分析，可以准确区分不同污染物的成分。利用这种方法，可以在复杂的空气环境中实现对多种污染物同时进行高分辨率检测和分析。

“传统的空气污染物检测方法通常需要采样、运输、实验室分析等多个步骤，耗时较长，难以实现实时监测。而空气激光技术可以在大气中直接生成和检测光信号，具有即时性和便捷性的优势。这种实时监测能力对于应对突发的空气污染事件，提供了快速响应和决策支持的可能性。”

“未来，我们一方面希望这项研究能够走向规模化应用，在大气探测方面发挥实际价值，这是我们最期望的。另一方面，我们希望该研究对于强场物理有所贡献，希望该效应具有普适性，对其他课题具有贡献。”刘一教授表示。