中国科学院上海光机所、上海理工大学：纳米金溶液中的飞秒激光成丝研究 | 中国激光·专题封面

为进一步促进超快激光成丝在基础物理与应用研究领域中的发展，组织出版了。专题在超快激光成丝特性，空气激光、太赫兹等次级辐射，以及光丝诱导光谱检测分析和加工应用等领域共收录文章24篇，反映了我国本领域最新研究成果及研究进展。

本篇封面文章来自中国科学院上海光机所王铁军研究员和上海理工大学袁帅副教授团队受邀撰写的“纳米金溶液中的飞秒激光成丝研究”。文章通过在纯水中掺杂纳米金颗粒，增强了溶液的非线性折射率。研究结果证实，掺杂纳米金颗粒是一种优化调控液体介质中光丝长度、非线性折射率及光谱范围的有效手段。

封面解读

封面展示了近红外飞秒激光的作用场景：激光经透镜聚焦于掺有纳米金颗粒的液体后，在聚焦区域附近通过克尔自聚焦与等离子体的共同作用形成光丝，并辐射出宽带超连续谱。局部金色高亮区域代表纳米金颗粒表面等离子体对局域场的增强效应，密集的气泡象征光丝诱导产生的冲击波以及后续的微气泡动力学过程。该封面旨在直观呈现“超连续谱驱动的共振增强”策略，即利用光丝自身产生的宽带谱与纳米金颗粒形成共振耦合，在不显著吸收基波的前提下显著提升介质的非线性折射率。这一过程能有效延长光丝长度、拓宽谱带，从而提高液相中的光能利用效率，为超连续谱产生、光化学反应与流体操控等应用的发展提供了支持。

文章链接：

Part 01

背景介绍

飞秒激光成丝作为超强激光与物质相互作用的重要研究方向，已在多种光学介质中得到广泛验证，并在激光驱动化学反应、微纳加工以及太赫兹产生等方面展现出广阔应用前景。然而，液体介质固有的非线性响应较弱，通常需要较高的激发能量才能触发足够的自相位调制，从而实现显著的光谱展宽，这在一定程度上限制了光丝在液体中的应用拓展。为此，研究者尝试通过在液体中引入金属纳米颗粒，利用其表面等离子体共振提升局域场以增强非线性效应。早期研究多集中于选择与入射激光波长相匹配的共振吸收机制，虽然实现了非线性增强，但同时伴随较强的能量损耗，削弱了光丝的传播效率。因此，如何在确保非线性增强的基础上避免基波被强吸收，成为推动液态体系中光丝应用的关键问题。本研究正是针对这一挑战展开，旨在探索更优的能量利用路径与增强机制。

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Part 02

创新工作

针对传统共振增强方式存在的能量损耗问题，中国科学院上海光机所王铁军研究员团队与上海理工大学袁帅副教授团队提出了一种新策略：利用近红外飞秒激光在掺杂纳米金颗粒的纯水中形成光丝，并借助光丝辐射产生的超连续谱来覆盖纳米金的等离子体共振波长，从而实现间接激发与增强非线性响应。实验装置如图1 所示，实验中采用中心波长为1030 nm、脉冲宽度约196 fs的掺镱飞秒脉冲激光器作为光源，通过外部聚焦使激光在样品池内诱导形成光丝，并结合光谱测量与显微成像系统，分别对等离子体通道特性、光谱展宽行为及气泡动力学过程进行了系统研究。

图1 实验装置示意图

实验结果表明，在相同激发条件下，纳米金溶液中的等离子体通道长度显著延长。这一现象归因于非线性折射率的提升，实验中由成丝起始位置反演出纳米金溶液的非线性折射率，发现其增强幅度相较于纯水可超过一个数量级。在光谱方面，纳米金溶液中获得的超连续谱覆盖范围更广，并在高能量条件下表现出更强烈的蓝移，显示出更加丰富的频率转换过程。进一步的浓度对比实验揭示，随着纳米金颗粒浓度的升高，光谱展宽程度持续增强，印证了局域场增强对自相位调制与等离子体效应的共同放大作用。除光丝特性外，本研究还系统分析了光丝诱导下的微气泡运动行为，实验结果表明，纳米金溶液中生成的气泡数量更多、运动速度更快，其最高速度可达纯水中的五倍以上。这一加速过程源于更强的冲击波辐射和能量沉积，体现了纳米颗粒在提升局域能量密度方面的作用。如图2所示，实验还揭示了气泡直径与速度之间的正相关关系，随着输入能量的增加，纳米金颗粒周围液体的温度升高更加显著，导致气泡内部具有更高的能量和气压，从而驱动气泡膨胀至更大的直径。

图2 纳米金溶液及纯水中的气泡运动特性。（a）不同激光脉冲能量下，在质量分数分别为0.1%、0.2%的纳米金溶液中以及纯水中气泡的运动速度；（b）在0.1%的纳米金溶液中，生成的气泡直径和运动速度的依赖关系

Part 03

总结与展望

综上所述，本研究提出的“超连续谱驱动的共振增强”机制，在兼顾非线性增强效果与能量利用率方面展现出独特优势；其突出表现为光丝长度显著延长、超连续谱范围明显拓展以及气泡动力学过程的显著加速，充分证明了该方法在液相非线性光学领域的应用潜力。

后续将开展液体中光丝诱导冲击波与微气泡的耦合机制，激光诱导液态解离化学反应研究。在此基础上，我们将探索溶液中的相变-解离-复合动力学机制，评估实验参数对长光丝液体传输的最佳条件。

课题组介绍

中国科学院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室王铁军研究员团队与上海理工大学袁帅副教授团队，长期从事超快强场激光物理前沿研究，围绕飞秒激光光丝、激光等离子体及其应用、太赫兹波产生与调控等方向开展系统探索。近年来，团队特别关注光丝在复杂大气环境中的稳定性及其对天气过程的潜在作用，同时拓展了基于强场激光的太赫兹波新型产生机制与探测方法。课题组致力于推动激光强场物理在能源、信息及环境科学中的交叉应用，已在国际主流学术期刊发表大量论文，并主持多项国家与中国科学院重大科研项目。

通信作者简介

王铁军，中国科学院上海光机所研究员，长期从事超快强激光非线性光学及其应用研究，发表包括Light、Nature Communications、High Power Laser Science and Engineering 等SCI论文80余篇，国际会议邀请报告30余次。作为负责人承担国家重点任务、中国科学院重点部署项目、国家自然科学基金、中国科学院国家合作重点项目等10余项，入选上海市东方英才计划拔尖项目、上海市浦江人才计划、第一届超快强激光科学国际研讨会青年学者奖等。

袁帅，上海理工大学副教授，博士生导师。Photonics客座编辑，在LPR、US、Light、AP L 等杂志发表学术研究论文50余篇。授权发明专利18项，国际专利2项，主编英文专著1本。主持科技部重点研发计划子课题，国自然面上、国自然国合、国自然青年项目、上海市重点课程建设项目等，获2024上海市科技进步奖一等奖、2022年生产力促进创新发展奖一等奖。主要从事超短脉冲激光技术及激光等离子体的科学与应用研究。研究成果被引用1600余次。

期

刊

简

介

是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等收录，位列中国科学院期刊分区表2区。根据《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。17次被评为“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次入选“中国精品科技期刊”、2次荣获“百强报刊”称号，并多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等荣誉。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”、《无机非金属材料领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划项目——领军期刊。

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