近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室团队研究发现高重频飞秒激光空气成丝诱导的三次谐波存在显著的自抖动，针对这一瓶颈问题，提出了一种基于外加直流电场的解决方案，显著降低了三次谐波的光束指向和强度抖动，为产生稳定、大能量高重复频率紫外和极紫外激光源提供了思路。相关研究成果以Improving the beam pointing and intensity stability of the third harmonic generated in air filament为题发表于Optics & Laser Technology。
紫外和极紫外激光在高分辨率成像、材料加工和先进光谱学等领域有着广泛应用。谐波是获取这些短波长激光的重要手段之一。传统基于非线性晶体的谐波产生方式，受晶体紫外透光截止波长、损伤阈值等限制，较难获得大能量紫外光源。基于激光气体成丝诱导的三次谐波可以突破上述局限。
图1. 不同重复频率下三次谐波(TH)光束指向分布云图。(a)50Hz, (b)100Hz, (c)500Hz, (d)1 kHz。三次谐波光束指向偏差距离(e)及强度抖动(f)随成丝重复频率的变化曲线。红色点表示未成丝时泵浦激光的指向分布。
在该工作中，团队研究了飞秒激光空气成丝诱导三次谐波的稳定性问题，发现高重复频率条件下，激光成丝产生的三次谐波光束抖动显著增强（图1），严重影响了三次谐波的稳定性，成为制约其应用的技术瓶颈。为了解决这一难题，研究团队创新性地引入了外部直流电场，成功抑制了三次谐波光束的指向和强度抖动。实验结果显示，在1 kHz重复频率下，光束指向抖动降低了约50%，强度抖动也得到有效抑制（图2）。这是由于外部电场能够抑制等离子体复合效应，减少脉冲之间因等离子体复合造成的热量沉积，从而降低了由热扩散造成的气流扰度强度。流体动力学数值模拟结果进一步证实了外加直流电场对激光丝等离子体通道稳定性的提升，进而提高了三次谐波的稳定性。该研究不仅为开发高重复频率、高稳定性的大能量紫外和极紫外激光源奠定了基础，也为其在成像、精密加工等领域应用开辟了新的机遇。
图2 (a)未施加和施加电场后基于1kHz光丝产生的TH光束指向分布云图。(b)1kHz TH光束指向偏差距离与施加在光丝上电压的关系。(c)1kHz TH的强度抖动与施加在光丝上电压的关系。
