超快强光场驱动的空气激光为大气遥感、燃烧诊断等领域提供了具有潜力的探测工具。然而，空气激光的输出能量通常局限在纳焦量级，甚至更低水平，限制了其实际应用。因此，如何利用毫焦耳级商用飞秒激光器产生更高能量的空气激光，是空气激光走向实际应用需攻克的核心问题。近期，中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队，提出了空气激光级联放大方案，产生了目前公开报道输出能量最高的空气激光，并发展了高灵敏、单光束相干拉曼光谱技术，展示了其在多组分气体灵敏探测方面的优势。研究团队提出的级联放大方案，将一束800nm、5.7mJ、40fs的激光脉冲经凹面镜在氮气中多次聚焦，实现了单脉冲能量高达4.4μJ的氮气离子空气激光输出，刷新了目前公开报道最强的空气激光纪录。其相应转化效率为7.7×10-4，相较于其他大能量激光系统产生的空气激光，转换效率提高了3个数量级以上。该方案克服了单次聚焦过程中，泵浦光强与增益长度难以同时优化的矛盾，可最大化利用粒子数反转，在固定泵浦能量下，实现最高能量的空气激光输出。同时，该方案将空气激光的泵浦能量阈值从3.3mJ降低到了0.9mJ，为利用掺镱固体超快激光器甚至光纤激光器产生高重频、高通量、小型化空气激光光源提供了可能，拓展了空气激光的应用场景，并为构建单光束相干拉曼光谱仪提供了天然时空锁定的飞秒/皮秒双色光源。研究团队基于四次聚焦产生的泵浦光和空气激光，进一步发展了高灵敏的单光束相干拉曼光谱技术，实现了SF6、CO2、O2以及光丝中产生的O3等多种分子同时探测，且SF6气体最小探测浓度达到30ppm水平。该研究利用级联放大方案，突破了空气激光输出能量、转换效率及泵浦阈值的多重限制，同步实现了泵浦激光光谱展宽与空气激光的脉冲压缩。同时，基于级联放大方案发展的单光束相干拉曼光谱技术，展示出ppm级高灵敏探测能力和相对优越的多组分检测优势，为大气污染溯源和极端环境燃烧诊断提供了新的技术手段。相关研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院的支持。论文链接（A）空气激光的级联放大方案示意图；（B）不同聚焦次数下获得的空气激光能量随气压的变化；（C）单次和四次聚焦情况下，在40 mbar氮气中获得的空气激光能量随泵浦能量的变化基于级联放大方案发展的单光束相干拉曼光谱技术在多组分、高灵敏气体检测中的应用展示