將能量從氮轉(zhuǎn)移到氬的機(jī)制使大氣中的雙向級聯(lián)激光成為可能

為了產(chǎn)生光，激光器通常依靠光學(xué)腔，即一對彼此面對的鏡子，通過來回反射來放大光。最近，一些物理學(xué)家一直在研究在不使用光學(xué)腔的情況下在露天產(chǎn)生“激光”，這種現(xiàn)象被稱為大氣中的無腔激光。

加州大學(xué)洛杉磯分校 (UCLA) 和馬克斯·玻恩研究所的研究人員最近揭示了導(dǎo)致這一現(xiàn)象的物理機(jī)制。 《物理評論快報》上的一篇論文概述了這一機(jī)制，即光子介導(dǎo)的能量從氮 (N 2 )轉(zhuǎn)移到氬 (Ar)。

“我們注意到，與 PPT 理論或時間相關(guān)薛定諤方程預(yù)測的相比，在高場電離狀態(tài)下(使用 261 nm 泵浦激光)，氬氣的電離率似乎出現(xiàn)了前所未有的降低，”該論文的合著者 Chan Joshi 告訴 Phys.org。“我們想知道氬氣中 261 nm 光子的 3 光子共振吸收是否在降低過程中發(fā)揮了作用。”

Joshi 同事最近的研究建立在該團(tuán)隊之前的實(shí)驗(yàn)成果之上。在進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)時，該團(tuán)隊觀察到 Ar 原子對 261 nm 光子的 3 光子吸收之后會發(fā)射級聯(lián)超熒光，具體來說是一種無腔、雙向和類似激光的發(fā)射。

“此外，我們意外地發(fā)現(xiàn)，如果我們使用含有 1% Ar 的空氣，級聯(lián)超熒光會改變波長，”該論文的主要作者 Zan Nie 說道。“對這種奇特效應(yīng)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)了一種新的空氣激光機(jī)制，可以促進(jìn)從氮?dú)獾?Ar 的輻射能量轉(zhuǎn)移。”

喬希及其同事發(fā)現(xiàn)的新機(jī)制能夠在大氣中產(chǎn)生雙向、雙色級聯(lián)激光。因此，該機(jī)制可能為產(chǎn)生反向空氣激光開辟新途徑，而這一直是物理學(xué)界的長期研究目標(biāo)。

“由于環(huán)境空氣具有不同的成分，我們首先將氬氣與環(huán)境空氣的不同成分混合，例如，最豐富的成分和第二豐富的成分：氮?dú)夂脱鯕猓?rdquo;喬希解釋說。“事實(shí)證明，將氮?dú)馀c氬氣混合會產(chǎn)生與使用環(huán)境空氣相同的結(jié)果，而將氧氣或氦氣等其他氣體混合則不會產(chǎn)生相同的結(jié)果。因此，通過這個比較實(shí)驗(yàn)，我們可以推斷出空氣激光的起源是由于氬氣和氮?dú)庵g的耦合。”

Joshi 及其同事還表明，處于電子激發(fā)態(tài)的 N2分子在 261 nm 處表現(xiàn)出非線性 3 光子吸收，其頻率比 Ar 略有偏移。該偏移是該團(tuán)隊觀察到的級聯(lián)超熒光的上激發(fā)態(tài)。在他們的論文中，研究人員介紹了一個理論模型，該模型解釋了超熒光及其潛在機(jī)制。

“在露天環(huán)境中高效無腔激光的探索已經(jīng)持續(xù)了十多年，”該論文的合著者米沙·伊萬諾夫說。“關(guān)鍵的——也是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的——目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙向激光。也就是說，你想向空中發(fā)射激光，然后讓空氣向你發(fā)射類似激光的光束。這對于遙感非常有用，但它簡直太酷了。”

聶志軍、伊萬諾夫、喬希及其同事的最新研究揭示了一種以前未知的光子介導(dǎo)機(jī)制，該機(jī)制將能量從 N2 轉(zhuǎn)移到Ar，最終實(shí)現(xiàn)大氣中的雙向級聯(lián)激光。未來，可以利用這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)反向空氣激光，這可能為遙感技術(shù)的發(fā)展開辟新的機(jī)遇。

“我們未來的研究計劃是進(jìn)一步研究這種機(jī)制的詳細(xì)物理原理，例如量子拍打，”聶補(bǔ)充道。“簡單地說，Ar 中多個能級的同時激發(fā)會產(chǎn)生隨時間變化的電荷密度振蕩。這些振蕩的頻率不僅可以揭示 Ar 中以前未知的能級，還可以揭示氮的振動-旋轉(zhuǎn)能級的存在，而這些能級在輻射耦合過程中非常重要。”

“我們還有一些想法，可以提高后向空氣激光的效率，以使這項(xiàng)技術(shù)更接近遙感的實(shí)際應(yīng)用。”

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