在高重复频率飞秒激光丝中，由于热量积累而产生的向中心汇聚的气流柱的观测

飞秒激光丝高重复率下形成稳定热气流柱，强度随重复率线性增加，热流体模拟显示累积热沉积主导气流演化，粒子追踪证实声热贡献可忽略。

　　

侯哲远|刘新宇|王铁军|刘耀祥|魏英霞|李显旺|冷宇新

中国科学院上海光学精密机械与物理研究所超强激光科学技术国家重点实验室，上海201800，中国

摘要

本研究首次揭示了在高重复频率（1～100 kHz）的飞秒激光丝中存在一种热驱动的气流现象，其特征是形成了一个稳定的、垂直方向的中心汇聚气流柱。通过横向光学阴影成像技术，我们直接可视化了激光丝诱导的气流动态，并发现当重复频率超过10 kHz时，气流强度和空间相干性几乎呈线性增加。热流体模拟表明，连续脉冲产生的累积热量沉积控制着气流柱的演变过程，将最初分散的涡旋结构转变为对称的双涡旋结构。粒子追踪模拟进一步证实，声热效应对整体气流动态的贡献可以忽略不计。这些发现进一步证实了热量积累在控制激光丝与空气相互作用中起主导作用，并揭示了一种独特的热诱导汇聚气流现象，为高重复频率激光丝化过程的热动力学提供了新的见解。

引言

在空气中传播时，超短且超强的激光脉冲会经历多种非线性光学效应，最显著的是克尔自聚焦效应，随后伴随着周围空气的电离[1]、[2]。这些过程足以重塑脉冲波形，最终导致形成能够维持高强度的自导激光丝，其传播距离可达数十米。飞秒激光丝，即这种自导传播现象，目前已被广泛认为是高峰值功率飞秒激光的特性。在相对较低的重复频率下，这类激光丝因其丰富的非线性特性和广泛的应用潜力而受到深入研究，包括形成稳定的局域波[3]、[4]、触发电放电[5]、[6]、改变大气天气[7]、[8]、进行遥感[9]、[10]、实现自由空间光通信[11]、[12]，以及在极紫外和太赫兹等光谱区域产生相干辐射[13]、[14]、[15]。

激光丝与周围空气之间的各种非线性相互作用会改变传播路径上的空气密度分布，其中最显著的变化是由激光产生的等离子体引起的热化[16]、[17]。电离后，等离子体会在纳秒时间尺度上迅速复合，而相关的热效应则会持续更长时间，通过空气分子的热扩散驱动流体动力学演化，持续时间可达数毫秒。当激光重复频率增加到千赫兹及以上时，连续脉冲之间的残余加热和流体运动开始累积，导致明显的宏观气流和持久的热结构，从根本上改变了激光丝与空气的相互作用动态[18]。这种暂时性的通道变化已被证明可以实现基于空气的光导传输[19]，在雾天条件下增强光通信[20]，并为开发新型遥感技术开辟了可能性[21]。

在不同重复频率（例如1 kHz、10 kHz和100 kHz）下，连续脉冲之间的累积效应表现出显著的定量和定性差异。随着高功率超短脉冲镱（Yb）激光技术的进步和广泛应用，对千赫兹及以上重复频率下的累积效应的系统研究逐渐增多。先前的研究表明，与1 kHz相比，10 kHz的激光脉冲产生的激光丝具有更强的圆锥形发射特性[22]。飞秒激光丝能够在极小的体积内诱导冲击波，初始压力可达GPa级别，峰值速度约为30马赫（约10 km/s）[23]。此外，在10至100 kHz的范围内，冲击波的传播特性发生了显著变化。阴影成像测量显示，在电离脉冲后约6微秒时，冲击波速度从超音速降至音速[24]。2023年的研究报道指出，在100 kHz时激光触发的击穿电压显著降低，这表明在该重复频率范围内可能出现了新的物理机制[25]。

在本研究中，我们使用横向光学阴影成像技术，研究了脉冲重复频率在1至100 kHz之间、单脉冲能量为0.4 mJ的飞秒激光丝化现象。对于重复频率高达25 kHz的情况，成功实现了高时空分辨率的冲击波动态成像。在50 kHz和100 kHz时，由于仪器限制，只能进行空间分辨成像。值得注意的是，侧视图荧光成像显示激光丝中心处的等离子体有明显的方向性扩展，垂直于传播方向。更重要的是，阴影成像技术首次揭示了一个明显的汇聚热气流柱的形成，该气流柱也垂直于传播方向。研究发现，当重复频率超过10 kHz时，这一结构的强度和稳定性会增加。先前的研究表明，在1 kHz时，飞秒激光丝产生的热量沉积可以在周围空气中诱导出相对稳定的涡旋结构。然而，这种气流仅会影响环境扰动[26]或激光丝的抖动[27]，而不会改变激光丝本身的形态。相比之下，在更高的重复频率下，我们首次观察到了一种强烈的热驱动气流柱的出现，它能够改变等离子体的结构。为了探索其背后的机制，我们分别使用热流体和热声模型分析了不同重复频率下的热量沉积和空气扰动过程。热流体模拟证实，更高的重复频率显著增强了累积热效应，从而驱动周围空气的更强烈对流调制。这一过程最终形成了一个稳定的气流柱，该气流柱对等离子体施加了粘性和动力作用，影响了其形态。相比之下，热声效应可能被等离子体复合加热所驱动的气流所掩盖。这些发现阐明了在高重复频率下热量积累在激光丝演化中的主导作用，并为激光丝与空气的相互作用提供了新的见解。

实验装置

实验使用了一个镱（Yb:KGW）放大的激光系统（Carbide 40 W，Light Conversion），中心波长为1030 nm，脉冲重复频率可调（最高可达100 kHz的次谐波），脉冲能量约为0.4 mJ，脉冲持续时间约为196 fs。实验装置的示意图如图1(a)所示。一束线偏振光（半宽为3.9 ± 0.4 mm）通过透镜（L1，f = 7.5 cm）聚焦，在空气中生成激光丝等离子体。

实验结果

通过测量激光丝形成前后的脉冲能量差来量化单次脉冲在激光丝化过程中沉积的能量（$\Delta U=U_{\mathrm{in}}-U_{\mathrm{out}}$）。在给定时间间隔内沉积的总能量是通过将单次脉冲沉积的能量乘以该间隔内的脉冲数量来获得的（$U_{\mathrm{loss}}\times nume$）。图2显示了在不同脉冲重复频率下实验测量的单次脉冲能量沉积情况。

模拟结果与讨论

随着脉冲重复频率的增加，阴影成像显示激光丝中心出现了一个明显的汇聚热气流柱。当重复频率超过5 kHz时，这个柱状结构变得更加细长，并呈现出从中心向上和向下扩展的圆锥形扩散模式，表明它是由涡旋诱导的气流汇聚形成的。为了进一步理解不同重复频率下激光丝引起的气流，我们进行了数值模拟

结论

在这项工作中，我们利用横向光学阴影成像技术研究了高重复频率飞秒激光丝中的热诱导气流动态。结果表明，随着脉冲重复频率从1 kHz增加到100 kHz，一个垂直于传播方向的明显热气流柱逐渐在激光丝核心周围形成。当重复频率超过10 kHz时，该气流柱表现出高度的连续性和稳定性，一旦稳定下来，其强度显示出明显的

作者贡献声明

侯哲远：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据管理、软件开发、研究。刘新宇：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。王铁军：撰写——审稿与编辑、监督、软件开发、项目管理、形式分析。刘耀祥：撰写——审稿与编辑、验证、监督。魏英霞：验证、监督、研究。

资助

国家电磁环境效应与电光工程重点实验室（项目编号JCKYS2024LD2）；国家自然科学基金（项目编号12574381，U2130123）；上海市科技计划（项目编号21511105000）和上海市科技合作研究计划（项目编号25HB2700900）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。