2024年8月7日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了“强场超快光学”创新研究群体在双向双色级联空气激光方面取得的最新国际合作研究成果《Bidirectional cascaded superfluorescent lasing in air enabled by resonant third harmonic photon exchange from nitrogen to argon》，同期Physics杂志以Synopsis的形式专题报道了该工作。

图1：双向双色级联空气激光原理示意图

“空气激光”指的是通过激光脉冲远程泵浦空气中的组成成分，在泵浦区域产生定向的类似激光的辐射。这一概念在十多年前首次提出以来就受到普遍关注，随后利用空气中各种原子、分子或离子成分作为增益介质的空气激光方案被陆续提出，然而到目前为止，在大气环境下产生背向空气激光仍然是一大挑战。目前已有的方案中，背向空气激光仅能通过原子的多光子共振激发来实现，例如利用紫外激光对氧原子或氮原子的双光子共振激发。在大气环境下，基于氧原子或氮原子产生空气激光，需要首先将空气中的氧分子或氮分子解离成原子，这一过程会导致较大的泵浦激光能量损耗，影响空气激光的产生效率；另外，由于光解离过程高度依赖光强，导致空气激光的输出能量较易出现显著波动，影响实际应用。为了避免这些缺陷，需要依赖空气中已经存在的原子，而氩气作为大气中含量最多的原子气体成为最佳候选。然而，大气中氩气的浓度远低于氮气（78%）和氧气（21%），仅为约1%，这使得在大气环境下仅依赖氩气产生背向空气激光极具挑战性。

针对这一问题，聂赞教授联合美国加州大学洛杉矶分校、德国马克斯-波恩研究所的合作者提出了一种产生背向空气激光的新方案，该方案利用261 nm的紫外泵浦光同时共振激发大气中的氮气和氩气，然后通过从氮气到氩气的三次谐波（87 nm）光子交换机制，可在大气环境下在前向和后向同时产生波长为1409 nm和752 nm的级联空气激光。尽管氩气占大气比例较低，但是通过大气中成分最高的氮气的辅助，可显著增强空气激光效率，从而实现大气环境下背向级联空气激光。另外，通过泵浦-探测实验测量证实了这种级联空气激光是由超荧光（SF）而非放大自发辐射（ASE）引起的，这对于辨明该级联空气激光的产生机制提供了重要实验依据。这种能够产生双向双色相干脉冲的级联空气激光为大气遥感、激光雷达（LIDAR）和相干拉曼光谱学等领域的应用开辟了更多可能性。

武汉光电国家研究中心聂赞教授为该工作的第一作者，聂赞教授、德国马克斯-波恩研究所Misha Ivanov教授、美国加州大学洛杉矶分校Chan Joshi教授为论文共同通讯作者。该工作得到了基金委创新研究群体的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.063201

Physics杂志Synopsis报道链接：https://physics.aps.org/articles/v17/s88