封面解讀：封面展示了近紅外飛秒激光的作用場景：激光經透鏡聚焦于摻有納米金顆粒的液體后，在聚焦區(qū)域附近通過克爾自聚焦與等離子體的共同作用形成光絲，并輻射出寬帶超連續(xù)譜。局部金色高亮區(qū)域代表納米金顆粒表面等離子體對局域場的增強效應，密集的氣泡象征光絲誘導產生的沖擊波以及后續(xù)的微氣泡動力學過程。該封面旨在直觀呈現“超連續(xù)譜驅動的共振增強"策略，即利用光絲自身產生的寬帶譜與納米金顆粒形成共振耦合，在不顯著吸收基波的前提下顯著提升介質的非線性折射率。這一過程能有效延長光絲長度、拓寬譜帶，從而提高液相中的光能利用效率，為超連續(xù)譜產生、光化學反應與流體操控等應用的發(fā)展提供了支持。

一、背景介紹

飛秒激光成絲作為激光與物質相互作用的重要研究方向，已在多種光學介質中得到廣泛驗證，并在激光驅動化學反應、微納加工以及太赫茲產生等方面展現出廣闊應用前景。然而，液體介質固有的非線性響應較弱，通常需要較高的激發(fā)能量才能觸發(fā)足夠的自相位調制，從而實現顯著的光譜展寬，這在一定程度上限制了光絲在液體中的應用拓展。為此，研究者嘗試通過在液體中引入金屬納米顆粒，利用其表面等離子體共振提升局域場以增強非線性效應。早期研究多集中于選擇與入射激光波長相匹配的共振吸收機制，雖然實現了非線性增強，但同時伴隨較強的能量損耗，削弱了光絲的傳播效率。因此，如何在確保非線性增強的基礎上避免基波被強吸收，成為推動液態(tài)體系中光絲應用的關鍵問題。本研究正是針對這一挑戰(zhàn)展開，旨在探索更優(yōu)的能量利用路徑與增強機制。

二、創(chuàng)新工作

針對傳統(tǒng)共振增強方式存在的能量損耗問題，上海光機所王鐵軍研究員團隊與上海理工大學袁帥副教授團隊提出了一種新策略：利用近紅外飛秒激光在摻雜納米金顆粒的純水中形成光絲，并借助光絲輻射產生的超連續(xù)譜來覆蓋納米金的等離子體共振波長，從而實現間接激發(fā)與增強非線性響應。實驗裝置如圖1 所示，實驗中采用中心波長為1030 nm、脈沖寬度約196 fs的摻鐿飛秒脈沖激光器作為光源，通過外部聚焦使激光在樣品池內誘導形成光絲，并結合光譜測量與顯微成像系統(tǒng)，分別對等離子體通道特性、光譜展寬行為及氣泡動力學過程進行了系統(tǒng)研究。

圖1 實驗裝置示意圖

實驗結果表明，在相同激發(fā)條件下，納米金溶液中的等離子體通道長度顯著延長。這一現象歸因于非線性折射率的提升，實驗中由成絲起始位置反演出納米金溶液的非線性折射率，發(fā)現其增強幅度相較于純水可超過一個數量級。在光譜方面，納米金溶液中獲得的超連續(xù)譜覆蓋范圍更廣，并在高能量條件下表現出更強烈的藍移，顯示出更加豐富的頻率轉換過程。進一步的濃度對比實驗揭示，隨著納米金顆粒濃度的升高，光譜展寬程度持續(xù)增強，印證了局域場增強對自相位調制與等離子體效應的共同放大作用。除光絲特性外，本研究還系統(tǒng)分析了光絲誘導下的微氣泡運動行為，實驗結果表明，納米金溶液中生成的氣泡數量更多、運動速度更快，其速度可達純水中的五倍以上。這一加速過程源于更強的沖擊波輻射和能量沉積，體現了納米顆粒在提升局域能量密度方面的作用。如圖2所示，實驗還揭示了氣泡直徑與速度之間的正相關關系，隨著輸入能量的增加，納米金顆粒周圍液體的溫度升高更加顯著，導致氣泡內部具有更高的能量和氣壓，從而驅動氣泡膨脹至更大的直徑。

圖2 納米金溶液及純水中的氣泡運動特性。（a）不同激光脈沖能量下，在質量分數分別為0.1%、0.2%的納米金溶液中以及純水中氣泡的運動速度；（b）在0.1%的納米金溶液中，生成的氣泡直徑和運動速度的依賴關系

三、總結與展望

綜上所述，本研究提出的“超連續(xù)譜驅動的共振增強"機制，在兼顧非線性增強效果與能量利用率方面展現出獨特優(yōu)勢；其突出表現為光絲長度顯著延長、超連續(xù)譜范圍明顯拓展以及氣泡動力學過程的顯著加速，充分證明了該方法在液相非線性光學領域的應用潛力。

后續(xù)將開展液體中光絲誘導沖擊波與微氣泡的耦合機制，激光誘導液態(tài)解離化學反應研究。在此基礎上，我們將探索溶液中的相變-解離-復合動力學機制，評估實驗參數對長光絲液體傳輸的條件。

參考文獻： 中國光學期刊網

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