超快強(qiáng)光場驅(qū)動的空氣激光為大氣遙感、燃燒診斷等領(lǐng)域提供了具有潛力的探測工具。然而，空氣激光的輸出能量通常局限在納焦量級，甚至更低水平，限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，如何利用毫焦耳級商用飛秒激光器產(chǎn)生更高能量的空氣激光，是空氣激光走向?qū)嶋H應(yīng)用需攻克的核心問題。

　　近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)，提出了空氣激光級聯(lián)放大方案，產(chǎn)生了目前公開報道輸出能量最高的空氣激光，并發(fā)展了高靈敏、單光束相干拉曼光譜技術(shù)，展示了其在多組分氣體靈敏探測方面的優(yōu)勢。

　　研究團(tuán)隊(duì)提出的級聯(lián)放大方案，將一束800nm、5.7mJ、40fs的激光脈沖經(jīng)凹面鏡在氮?dú)庵卸啻尉劢?，?shí)現(xiàn)了單脈沖能量高達(dá)4.4μJ的氮?dú)怆x子空氣激光輸出，刷新了目前公開報道最強(qiáng)的空氣激光紀(jì)錄。其相應(yīng)轉(zhuǎn)化效率為7.7×10-4，相較于其他大能量激光系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣激光，轉(zhuǎn)換效率提高了3個數(shù)量級以上。該方案克服了單次聚焦過程中，泵浦光強(qiáng)與增益長度難以同時優(yōu)化的矛盾，可最大化利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在固定泵浦能量下，實(shí)現(xiàn)最高能量的空氣激光輸出。同時，該方案將空氣激光的泵浦能量閾值從3.3mJ降低到了0.9mJ，為利用摻鐿固體超快激光器甚至光纖激光器產(chǎn)生高重頻、高通量、小型化空氣激光光源提供了可能，拓展了空氣激光的應(yīng)用場景，并為構(gòu)建單光束相干拉曼光譜儀提供了天然時空鎖定的飛秒/皮秒雙色光源。

　　研究團(tuán)隊(duì)基于四次聚焦產(chǎn)生的泵浦光和空氣激光，進(jìn)一步發(fā)展了高靈敏的單光束相干拉曼光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了SF6、CO2、O2以及光絲中產(chǎn)生的O3等多種分子同時探測，且SF6氣體最小探測濃度達(dá)到30ppm水平。

　　該研究利用級聯(lián)放大方案，突破了空氣激光輸出能量、轉(zhuǎn)換效率及泵浦閾值的多重限制，同步實(shí)現(xiàn)了泵浦激光光譜展寬與空氣激光的脈沖壓縮。同時，基于級聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)，展示出ppm級高靈敏探測能力和相對優(yōu)越的多組分檢測優(yōu)勢，為大氣污染溯源和極端環(huán)境燃燒診斷提供了新的技術(shù)手段。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院的支持。

（A）空氣激光的級聯(lián)放大方案示意圖；（B）不同聚焦次數(shù)下獲得的空氣激光能量隨氣壓的變化；（C）單次和四次聚焦情況下，在40 mbar氮?dú)庵蝎@得的空氣激光能量隨泵浦能量的變化

基于級聯(lián)放大方案發(fā)展的單光束相干拉曼光譜技術(shù)在多組分、高靈敏氣體檢測中的應(yīng)用展示