华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室吴健教授课题组在空气激光结构化方面取得重要进展，首次实现了涡旋氮气离子激光。相关成果于2023年5月31日以“Generation of vortex N2+ lasing”为题在线发表在Optica期刊，物理学院本科生胡悦是第一作者。按需“定制”的结构光在跨学科领域展现出强大应用潜力。然而，在更快的时间尺度、更大的空间范围操控光场仍是一个挑战（如，在飞秒的超快时间尺度、在野外超大空间范围）。空气激光以无处不在的空气作为增益介质，利用强激光超短脉冲的远程激发作用，可在大气中任意位置随时产生高亮度激光。其中，氮气离子激光因其高亮度及丰富可调谐的波长备受关注，这得益于空气中氮气分子的高含量与氮气分子的复杂振转能级结构。这为构造一种波长可调、性质优异的自由空间远程结构光源提供了可能。 

吴健教授课题组从最经典的一种结构光——光学涡旋出发，利用携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）的近红外飞秒激光脉冲电离与泵浦氮气分子，首次观察到轨道角动量与涡旋结构从泵浦光到新生激光信号的转移，实现了涡旋氮气离子激光的产生。更令人惊喜的是，在高泵浦脉冲能量下，相比于高斯光束作为泵浦光的情况，涡旋泵浦方案可以达到更高的氮气离子激光产生效率。氮气离子激光强度较低一直是阻碍其广泛应用的难题，这一发现为氮气离子激光的放大提供了一种巧妙的方案：研究人员可通过对泵浦光进行精细调整，从而改变飞秒光丝的空间分布，最终优化出最适宜氮气离子激光产生的条件。该工作为构建自由空间远程结构光提供了理想方案，也为氮气离子激光强度放大提供了崭新思路，开启了空气激光结构化的新篇章。

图1：吴健教授课题组最新研究成果刊登在Optica。

图2：涡旋氮气离子激光的产生与测量装置示意图。