将能量从氮转移到氩的机制使大气中的双向级联激光成为可能

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为了产生光，激光器通常依靠光学腔，即一对彼此面对的镜子，通过来回反射来放大光。最近，一些物理学家一直在研究在不使用光学腔的情况下在露天产生“激光”，这种现象被称为大气中的无腔激光。
加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 和马克斯·玻恩研究所的研究人员最近揭示了导致这一现象的物理机制。 《物理评论快报》上的一篇论文概述了这一机制，即光子介导的能量从氮 (N 2 )转移到氩 (Ar)。
“我们注意到，与 PPT 理论或时间相关薛定谔方程预测的相比，在高场电离状态下（使用 261 nm 泵浦激光），氩气的电离率似乎出现了前所未有的降低，”该论文的合著者 Chan Joshi 告诉 Phys.org。“我们想知道氩气中 261 nm 光子的 3 光子共振吸收是否在降低过程中发挥了作用。”
Joshi 同事最近的研究建立在该团队之前的实验成果之上。在进行新实验时，该团队观察到 Ar 原子对 261 nm 光子的 3 光子吸收之后会发射级联超荧光，具体来说是一种无腔、双向和类似激光的发射。
“此外，我们意外地发现，如果我们使用含有 1% Ar 的空气，级联超荧光会改变波长，”该论文的主要作者 Zan Nie 说道。“对这种奇特效应的进一步研究发现了一种新的空气激光机制，可以促进从氮气到 Ar 的辐射能量转移。”
乔希及其同事发现的新机制能够在大气中产生双向、双色级联激光。因此，该机制可能为产生反向空气激光开辟新途径，而这一直是物理学界的长期研究目标。
“由于环境空气具有不同的成分，我们首先将氩气与环境空气的不同成分混合，例如，最丰富的成分和第二丰富的成分：氮气和氧气，”乔希解释说。“事实证明，将氮气与氩气混合会产生与使用环境空气相同的结果，而将氧气或氦气等其他气体混合则不会产生相同的结果。因此，通过这个比较实验，我们可以推断出空气激光的起源是由于氩气和氮气之间的耦合。”
Joshi 及其同事还表明，处于电子激发态的 N2分子在 261 nm 处表现出非线性 3 光子吸收，其频率比 Ar 略有偏移。该偏移是该团队观察到的级联超荧光的上激发态。在他们的论文中，研究人员介绍了一个理论模型，该模型解释了超荧光及其潜在机制。
“在露天环境中高效无腔激光的探索已经持续了十多年，”该论文的合著者米沙·伊万诺夫说。“关键的——也是相当具有挑战性的——目标是实现双向激光。也就是说，你想向空中发射激光，然后让空气向你发射类似激光的光束。这对于遥感非常有用，但它简直太酷了。”
聂志军、伊万诺夫、乔希及其同事的最新研究揭示了一种以前未知的光子介导机制，该机制将能量从 N2 转移到Ar，最终实现大气中的双向级联激光。未来，可以利用这种机制实现反向空气激光，这可能为遥感技术的发展开辟新的机遇。
“我们未来的研究计划是进一步研究这种机制的详细物理原理，例如量子拍打，”聂补充道。“简单地说，Ar 中多个能级的同时激发会产生随时间变化的电荷密度振荡。这些振荡的频率不仅可以揭示 Ar 中以前未知的能级，还可以揭示氮的振动-旋转能级的存在，而这些能级在辐射耦合过程中非常重要。”
“我们还有一些想法，可以提高后向空气激光的效率，以使这项技术更接近遥感的实际应用。”