空气激光的概念最早期提出于2003年，将超强激光发射到空气中去，其背向会形成受激辐射。2011年，前向不同波长的空气激光信号被发现，自此空气激光领域受到广泛关注。

此前，对于原子、分子模式下的空气激光已经得到较为透彻的认识和理解，但对于离子下的空气激光还未得到清晰的解释。众所周知，空气中含量最多的是氮气，氮气离子产生的激光也是空气激光中最具代表性的一种。尽管前期许多研究者们对其产生的机理进行了深入的研究和验证，人们对它的产生过程仍然有较大的争议。且如果想将空气激光更快地推广到应用中去，就要实现激光信号的超强放大。

吴健教授课题组借助近红外波段光场构成的偏振门场，结合了红外1600 nm激光，获得了6个量级的激光强度的提高。其中，通过1600 nm的长波长中红外激光，将氮气离子的基态u = 0抽运到虚能级后落到u = 1能级上，实现了拉曼激发过程，此时u = 0 上的粒子数几乎被抽干，而近红外光场将u = 1的粒子通过电子激发继续转移到A²P_u态的u = 2，3，4能级上，实现了有效的基态粒子数转移，最终从B²S_u⁺态到X²S_g⁺态辐射的激光信号得到了超强的放大。对于这一结果东京大学的Kaoru教授团队给以充分的理论验证。

本工作中得到的接近6个数量级的激光信号强度的放大推动了空气激光走向实际应用。此外，该工作同时验证了光电离加粒子数重布居机制导致的粒子数反转机制，很好地解释了氮气离子激光现象。

空气激光的研究有助于理解强场分子超快动力学行为，因此该工作也会在相关领域获得广泛关注。特别地，该研究将推动强场原子分子物理、非线性光学、光谱探测、大气天文等领域的研究。该工作发表于Phys. Rev. Lett. 125, 053201 (2020)，且入选为编辑推荐论文（Editor’s Suggestion）。后续围绕偏振门光场相关应用研究仍在开展。

图1：氮气分子离子的能级及相关跃迁方法。氮气激光产生分两步，一步是通过获得中红外光子实现从X态振动能级为0到1的拉曼激发过程（粉色箭头）；第二步是通过近红外偏振门场实现后续X态到A态的耦合跃迁过程（红色箭头）。