“超快激光成丝及应用”纳米金溶液中的飞秒激光成丝研究

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。

一、背景介绍

飞秒激光成丝作为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。

二、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

三、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条件。

参考文献： 中国光学期刊网

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