近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）传来振奋人心的科研进展：其超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队成功提出并验证了一种全新的“空气激光级联放大”方案，实现了目前国际上最高能量输出的空气激光，并在此基础上发展出一种高灵敏度、多组分兼容的单光束相干拉曼光谱技术。相关成果已于近日发表在国际权威期刊《Science Advances》上，标志着我国在超快激光与大气传感领域迈出了关键一步。

长期以来，由超快强激光驱动产生的“空气激光”因其无需传统光学谐振腔、可在开放大气中直接产生而备受关注。这种特殊光源不仅蕴含丰富的非线性物理过程，更被视为未来远程大气环境监测、工业燃烧诊断乃至空间探测的理想工具。然而，受限于极短的作用距离和微弱的增益效应，传统空气激光的输出能量普遍停留在纳焦耳（nJ）量级，严重制约了其信噪比和实际应用能力。

面对这一世界性难题，国际多个顶尖团队曾尝试通过大型高能激光装置提升输出功率。例如，美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室联合维也纳科技大学等机构，利用能量高达10焦耳的皮秒激光器，实现了2.5微焦耳（μJ）的氮分子激光输出；法国巴黎综合理工大学也借助太瓦级激光系统获得了2.6 μJ的氮气离子激光。但这些成果依赖庞大且昂贵的实验设备，难以走向实用化。

此次，上海光机所团队另辟蹊径，摒弃“以大搏大”的思路，转而从物理机制优化入手，创新性地提出了级联放大方案。研究人员利用一束仅5.7毫焦耳、40飞秒的商用飞秒激光，通过精密设计的凹面镜系统，在氮气环境中实现多次聚焦，使激光在传播路径上反复激发空气中的氮气离子，形成连续的能量增益链。实验结果令人瞩目——单脉冲空气激光能量达到4.4 μJ，不仅刷新了公开报道的最高纪录，更将能量转换效率提升了三个数量级以上，达到7.7×10⁻⁴。

“这一方案巧妙解决了传统方法中泵浦强度与增益长度不可兼得的矛盾，”项目负责人表示，“我们首次在毫焦耳级泵浦条件下实现了微焦耳级空气激光输出，同时将泵浦阈值从3.3 mJ大幅降低至0.9 mJ，这意味着未来有望使用小型化、高重复频率的光纤激光器来驱动空气激光，真正走向工程化应用。”

更进一步，研究团队敏锐地意识到，这一级联过程不仅放大了激光能量，还自然产生了具有精确时间同步和空间重合的飞秒泵浦光与皮秒空气激光，恰如一对“天然匹配”的双色光源。基于此，团队自主发展了一种单光束相干拉曼光谱技术，无需复杂的光路锁定系统，即可实现对多种气体分子的高灵敏探测。

实验证明，该技术可同时识别SF₆、CO₂、O₂以及激光诱导产生的O₃等多种气体成分，对六氟化硫（SF₆）的最低检测浓度可达30 ppm（百万分之三十），展现出卓越的多组分分辨能力和环境适应性。这一性能对于大气污染物溯源、电力设备泄漏监测、极端环境下的燃烧过程分析等场景具有重要价值。

业内专家指出，该研究不仅在基础物理层面深化了对空气激光增益机制的理解，更在应用技术层面打通了从“实验室现象”到“实用化工具”的关键通道。其提出的级联放大理念有望推广至其他气体体系和波长范围，为下一代智能传感网络提供核心光源支撑。

本项工作得到了国家自然科学基金委员会和中国科学院相关项目的持续支持。随着小型化、高效率空气激光光源的逐步成熟，一个无需采样、远程实时、多组分同步监测的“激光之眼”正加速向我们走来。