北京大学 王树峰 编译自 Cheng Ya. Physics，January 23，2023 )

本文选自《物理》2023年第4期

利用激光在空气中制造出的波导可以使光传输近50 m。

光纤和平面波导等传统的光波导由中央芯体和环绕周围的低折射率包层组成。光在纤芯—包层边界处发生全内反射，从而被有效地限制在纤芯中。尽管光纤可以让光传输超过100 km，但无法应用于高功率传输和大气监测等。这需要光束在大气中传输，并克服衍射导致的光束发散，以窄光束长程传播。一个可能的解决方法是用激光脉冲在空气中“塑造”出波导，即以未受扰动空气为中心核，并在周围产生低密度包层。马里兰大学帕克分校的Andrew Goffin等人使用的新方法是用“面包圈”形光束在空气中制造一个45 m长的波导，这是他们之前纪录的60倍。

要实现空气波导，需要用一个“面包圈”形飞秒激光脉冲加热空气成分(例如N2、O2和惰性气体)使之膨胀，导致密度低于周围的空气，使纤芯和包层之间具有折射率差。随后的“探测”脉冲就可以通过该空气光纤传输。

研究人员使用具有“面包圈”形状的激光脉冲创建空气波导。脉冲最初形成细丝(红色)，加热空气并最终形成低密度包层(橙色)，第二个激光脉冲通过这个波导传输(绿色)

那为什么“面包圈”脉冲不会发散？答案在于一个称为成丝化的非线性过程：脉冲在空气中传播时，克尔非线性会引起自聚焦效应，而高度自聚焦产生的等离子体又会引发散焦效应，这两种效应彼此竞争且达到平衡，导致了成丝化。成丝化可以使激光场在长距离内保持窄光束。然而，激光成丝的宽度不超过200 μm，峰值强度不超过1014 W/cm2，这限制了成丝细芯的平均功率。因此，飞秒激光脉冲产生的成丝本身并不是高功率激光传输的有效途径。但当用于产生空气波导时，成丝可以为高功率光束创造一条路径。

Goffin等人于2014年首次展示了空气波导原理。他们将红色激光束通过四段掩模，以方形图案创建四个激光成丝。这些成丝形成了一个“光篱笆”，将光线限制在其核心内。这种空气波导在约70 cm长的空气中传输了110 mJ的绿光脉冲。

由于光篱笆中的成丝数量较少，使得波导的宽度以及纤芯和包层之间的密度差异有限。为了增加成丝的数量，这次他们使用“面包圈”形光束(平滑的拉盖尔—高斯LG01模式)，将激光集中到直径为几毫米的环中。光在“面包圈”周围以随机但均匀分布的方式成丝，产生的包层覆盖在整个波导周围。

在实验室旁边的走廊上，他们演示了45 m长的空气波导。波导发生器是300 fs的激光脉冲，波长为800 nm，总能量为120 mJ。该脉冲的“面包圈”模式在直径为5.6 mm的环周围形成大约30根成丝。通过此波导，研究人员传输了一束波长为532nm，能量为1 mJ的7 ns探测脉冲。检测器显示使用波导传输的能量比没有使用时高出约20%。此空气波导的寿命长达几十毫秒。

这种波导方案也有一些缺点，例如相对较高的传播损耗、被传输光束的模式分布不佳，以及空气波导形成过程中的高能量消耗。提高性能需要开发更复杂的光塑形技术。如果最初的“面包圈”光束可以更均匀，那么多条成丝应该会以更确定的方式形成，这会使空气波导更稳定且易于重现。

关于未来，他们设想空气波导可以在一公里或更远的距离内传输高功率光。他们估计公里级传输将需要高能 (高达2 J) 的LG01脉冲来支持约40—80根成丝的环形覆盖。这种空气波导可以有许多实际应用，例如传输紫外光、检测大气污染、检测放射性物质，以及通过生成等离子通道引雷等。

END

更多精彩文章请点击下面“蓝字”标题查看：

王青教授：理解王中林院士“拓展的麦克斯韦方程组”“碰瓷”麦克斯韦：伽利略协变和洛伦兹协变电磁场论趣谈热点：运动介质洛伦兹协变电磁理论2021年《物理与工程》优秀论文、优秀审稿专家、优秀青年学者名单王青教授：源自苏格拉底的问题驱动式教育——在互动中共同学习和成长读后感：教育中的现实和远方王青教授：昨晚（6月9日），清华电动力学期末考试朱邦芬院士：“减负”误区及我国科学教育面临的挑战《物理与工程》2022年第4期目录乐永康：新冠肺炎疫情防控下美国物理实验教学及中美情况对比顾牡：对于重新制定的《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》的认识和体会朱邦芬院士：从基础科学班到清华学堂物理班朱邦芬院士：对培养一流拔尖创新人才的思考李学潜教授：物理是一种文化李学潜教授：如何帮助物理系学生迈过从高三到大一这个坎穆良柱：物理课程思政教育的核心是科学认知能力培养穆良柱：什么是物理及物理文化？穆良柱：什么是ETA物理认知模型穆良柱：什么是ETA物理教学法吴国祯教授：我的国外研究生经历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学堂班10年纪念活动”而写

陈佳洱，赵凯华，王殖东：面向21世纪，急待重建我国的工科物理教育王亚愚教授：清华物理系本科人才培养理念与实践葛惟昆教授：关于中外人才培养的几点思考安宇教授：为什么传统的课堂讲授模式需要改变安宇教授：其实教学就是积累的过程刘玉鑫教授：关于本科生物理基础课程教学和教材编著的一些思考沈乾若：重创理科教育的美加课程改革Henderson C：美国研究基金支持下的物理教育研究及其对高等物理教育的影响《物理与工程》期刊是专注于物理教育教学研究的学术期刊，是中国科技核心期刊，1981年创刊