近日，华东师范大学重庆研究院联合上海理工大学、华东师范大学，首次提出来“Volume Plasma Grating”概念。“体积等离子体光栅”由两束一维多丝阵列(1-D array of multiple filaments)相互作用产生的周期性层状等离子体构成。该成果以“Filamentation-induced volume plasma grating: Dynamics, Possibilities and Advantages”为题于2023年6月25日发表在Laser & Photonics Reviews上。
飞秒激光成丝是超快激光在介质中传播时的一种独特现象。对于空气介质而言，当激光的峰值功率高于自聚焦时，克尔效应导致的自聚焦与等离子体产生引发的自散焦效应达到动态平衡。光丝过程包括多光子电离、逆韧致辐射以及雪崩电离，从而产生标志性的等离子体通道。然而当入射功率远超过临界水平，可能会发生多丝现象。
由于多丝产生受脉冲调制不稳定性影响，因此为随机过程。任何初始光束空间模式的热点均会导致光场空间的随机分布。正因为如此，研究人员通过各种方式抑制多丝产生。我们研究的出发点在于如何确保随机分布的多丝，以可预测的方式传播。该研究对光丝相关的雷达遥感、空气激光以及高端制造均有重大意义。
华东师范大学重庆研究院联合上海理工大学与华东师范大学，发现两个非共线传播光丝通过相互作用可以在空气、水、玻璃中产生等离子体光栅。等离子体光栅可突破了光丝内部的峰值功率钳制，构造更强光场。与以往报道的平面等离子体光栅不同，本文提出了一种创新性的体积等离子体光栅。
体积等离子体光栅由两束一维多丝阵列通过类似干涉作用形成。体积等离子体光栅可实现光场的周期性规则分布，从而克服了多丝分布的随机性。
图1:（a）体积等离子体光栅和（b）多丝阵列的示意图。激发光束在z-x平面上传播。
体积等离子体光栅与多丝阵列在y-z平面的侧视图分别如图1所示。焦点处多丝阵列呈月牙状分布。在单束光聚焦形成多丝的过程中，自聚焦与等离子体自散焦动态平衡中的任何调制不稳定性过程，都可能改变多丝之间的瞬时能量竞争状态，使得光丝截面光强强度随机变化。同时，微等离子体通道直径不均匀。实验中相邻通道之间的间距随激发能量的提升而减小。
与之相对的，体积等离子体光栅内部，微等离子体通道分布均匀，且无随机分布的热点。这说明体积等离子体光栅结构可抑制多丝的随机分布。
基于以上研究，对多丝阵列以及体积等离子体光栅有了更进一步的认识。多丝阵列内部的光场受到调制不稳定性影响，结构随机分布。体积等离子体光栅则由规则分布的等离子体通道构成。多丝阵列中微等离子体通道的形成与介质上局部能量波动有关，分布不规则。而体积等离子体光栅则是由两束多丝阵列的非共线时空耦合作用产生，导致稳定分布的多丝。
体积等离子体光栅可以通过电场的空间重构，引导光束通过规则分布的等离子体波导。在体积等离子体光栅与样品作用过程中，空间拉伸的体积等离子体光栅通过激光改性，周期性改变光束横截面处材料的折射率。从这个意义上说，体积等离子体光栅内部结构稳定的光丝，是由生成的周期性等离子体波导在光束截面上“预设”了传播轨迹导致的。因此，体积等离子体光栅内部的光丝与单个光丝阵列中的多丝相比，具有更稳定的光场分布。
图2:(a-d)基于体积等离子体光栅的太赫兹偏振片制备过程，(e)太赫兹偏振片测试光路示意图。(f)不同角度下的太赫兹时域曲线。
现有的实验表明体积等离子体光栅可用于三维结构快速直写，与太赫兹偏振元件制备。如图2所示，实验中我们利用体积等离子体光栅在玻璃上进行激光直写，其后通过酸洗获得了周期槽线，随后通过涂覆导电银胶我们成功获得了太赫兹偏振片。其功能可比拟商售太赫兹偏振片。
与传统多丝调控方法相比，体积等离子体光栅通过预设传播轨迹，将能量空间随机分布（多丝）转化为周期性规则分布。
其有以下优势：
1）空间拉伸的体积等离子体光栅中光丝的周期，可以通过改变激发光束的交叉角度调节，因此调节周期更方便；
2）相对于传统的飞秒激光直写，基于体积等离子体光栅的激光直写效率更高；
3）体积等离子体光栅实际上将能量引导进入周期性等离子体通道，该过程不会造成入射光能量的额外损失。因此，基于此可实现三维结构快速直写与太赫兹偏振元件制备。
该工作获得了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与两江新区的共同资助。
来源：华东师大重庆研究院科研团队在飞秒激光成丝诱导体积等离子体光栅的研究中得重大突破
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300310
