Переосмысление механизма самосевки при генерации векторного ультрафиолетового лазерного излучения $${{{\rm{N}}}}_{2}^{+}$$

Освещая воздух вокруг нас

Представьте, что сам воздух превращается в лазер, создавая яркие ультрафиолетовые лучи, способные распространяться на большие расстояния в атмосфере. Такие «воздушные лазеры» в будущем могли бы помочь дистанционно обнаруживать загрязнения, контролировать газы климата или изучать опасные зоны на расстоянии. Но чтобы использовать их надёжно, учёным сначала нужно понять, как именно эти необычные источники света включаются. В этой статье решается давняя загадка об одном из самых известных воздушных лазеров: показано, что его энергия происходит не от внутренней «исры» лазерного семени, а от тонкого, самоорганизующегося свечения.

Как воздух может вести себя как лазер

Когда интенсивный ультракороткий импульс лазера с длиной волны 800 нанометров (в ближней инфракрасной области) проходит через азот при пониженном давлении, он выбивает электроны из молекул и создаёт тонкую нить плазмы — так называемый филамент. При подходящих условиях этот филамент испускает яркую узкую полосу ультрафиолетового света на длине 391 нанометр от ионизованного азота (N⁺₂). В течение более десяти лет исследователи спорили, ведёт ли это излучение себя как традиционный лазер, «подсеянный» маленьким начальным сигналом того же цвета, или же это чистое усиленное спонтанное излучение — свечение, накапливающееся из случайных микровспышек. Различие важно: подсеянный лазер проще контролировать и синхронизировать, тогда как неподсеянный сильнее зависит от свойств среды.

Подозреваемая скрытая искра

В качестве внутренних «семян» предлагались два естественных кандидата. Первый — само фазовое модулирование, нелинейное растяжение спектра накачивающего импульса в суперконтинуум «белого света», который мог бы просачиваться до 391 нанометра. Второй — генерация второй гармоники, когда асимметрия зарядового распределения в плазме преобразует часть 800‑нанометрового света в его 400‑нанометровый эквивалент, достаточно близкий к 391‑нм линии, чтобы служить триггером. При низких давлениях газа и умеренных энергиях импульса, где воздушный азотный лазер наиболее силён, само фазовое модулирование известно как слабое и неспособное достигать таких коротких волн. Таким образом, генерация второй гармоники оставалась доминирующей гипотезой — до тех пор, пока это исследование не подвергло её прямой и строгой проверке с помощью специального вида сформированного света.

Кручёная поляризация как новый диагностический инструмент

Авторы использовали цилиндрические векторные пучки, у которых вектор электрического поля направлен либо радиально наружу (как спицы колеса), либо по касательной вокруг круга (как стрелки на треке). Эти паттерны сильно влияют на то, как градиенты плотности электронов в плазме выстраиваются относительно управляющего поля и, следовательно, насколько эффективно может формироваться свет второй гармоники. В азоте и радиальные, и азимутальные пучки порождали яркое ультрафиолетовое излучение на 391 нанометр с похожими донатоподобными профилями и совпадающими структурами поляризации, то есть воздушный лазер достоверно наследовал структуру накачки. Но при переключении на аргон — выбранный так, чтобы появлялся только сигнал второй гармоники, а не полосное излучение — разница была поразительной: радиально поляризованные пучки давали явный сигнал второй гармоники, тогда как азимутальные практически не давали никакого.

Наблюдение фазы для отслеживания происхождения

Чтобы глубже исследовать механизм, учёные изучили пространственную фазу — как волновой фронт света меняется по сечению пучка — с помощью цилиндрической линзы. В процессе с подсеиванием усиливаемый свет должен сохранять фазовую структуру своего семени; в типичной генерации второй гармоники фаза фактически удваивается. Замеры показали, что излучение на 391 нанометр оставалось синхронизированным с исходной накачкой 800 нанометр, а не с каким‑то удвоенным паттерном. Численные моделирования подтвердили это и показали, как множество крошечных случайных спонтанных вспышек в плазме может в анизотропной усилительной среде, сформированной поляризацией накачки, самоорганизоваться в когерентный цилиндрически поляризованный пучок. Другими словами, геометрия усиления и выравнивание молекул направляют случайное свечение в чёткую структурированную световую выдачу без необходимости в резком сигнальном импульсе‑семени.

Что это означает для будущих воздушных лазеров

Сопоставление данных — отсутствие полезного континуального семени, наличие генерации и без второй гармоники, несоответствие форм второй гармоники и наблюдаемого воздушного лазера, а также прямые фазовые измерения — указывает на однозначный вывод: при обычно используемых условиях низкого давления газа и многопериодных импульсов 800 нанометр воздушный азотный лазер на 391 нанометр питается усиленным спонтанным излучением, а не самосевной второй гармоникой. Этот вывод не только закрывает центральный спор о том, как включается этот воздушный лазер, но и демонстрирует, что тщательно сформированные пучки могут отпечатать свою структуру на ультрафиолетовом свете, генерируемом на метры в газе. Это открывает путь к удалённым ультрафиолетовым источникам с векторной структурой, которые можно адаптировать для продвинутой сенсорики, спектроскопии и сверхбыстрых исследований атмосферы.

Цитирование: Gao, J., Wang, Y., Mei, H. et al. Revisiting self-seeding mechanism by generating vector ultraviolet \({{{\rm{N}}}}_{2}^{+}\) lasing. Commun Phys 9, 103 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02535-5

Ключевые слова: лазер в воздухе, ультрафиолетовая плазма, цилиндрические векторные пучки, генерация второй гармоники, усилённое спонтанное излучение