氮气被超快激光脉冲电离所形成的氮气离子气体被认为是一个潜在的研究光与物质相互作用以及量子相干物理效应的新平台，目前得到了包括量子光学、超快光学、强场物理等跨领域的广泛关注。氮气离子气体具有丰富的能级结构，同时由于空气中氮气分子的高浓度分布，该量子光学研究平台有望在不久的将来在室外的大气环境中实现对光子的相干操控。基于上述原因，上海光机所与上海交通大学等单位合作，首次验证了相干激发的氮气离子气体中的光子存留效应。

研究发现飞秒强激光将氮气电离成氮气离子之后，其所产生的量子相干性能将光子存留在气体系统之中。如图1所示，通过延时注入的第二束中红外激光脉冲与存留的光子相互作用，可以产生被探测器直接观察到的紫外信号，为读取微弱的存留光子提供了有效手段。我们从实验和理论上揭示了光子存留效应的物理。如图2所示，当两激光脉冲延时分开后，宽带非共振四波混频和330.8 nm附近的"N" _"2" ^"+" 特征辐射消失，而波长为329.3 nm的"N" _"2" ^"+" 紫外辐射依然较强。该紫外辐射在数皮秒时间尺度内缓慢衰减，其动力学明显不同于非共振四波混频信号。基于Maxwell-Bloch方程的数值模拟，揭示了存留在"N" _"2" ^"+" 中的相干光子对于产生329.3nm相干辐射的重要作用以及激发态布居对于读取存留光子的重要作用。在氮气离子气体中验证光子存留效应，指明了在大气中实现光信息处理以及室温下相干光信息存储的可能性，为进一步在大气中开展量子光学现象的研究以及实现光子的相干操控提供了新思路。此项工作对强场电离分子气体中光与物质相互作用的研究有着重要的推动作用。

图1 在相干激发的氮气离子中实现光子存留效应的基本原理。(a)光子存留和读取的基本过程以及(b)相应的能级图。

图2 (a)实验测得的紫外辐射的光谱与(b)1-ps延时情况下谱线的时间演化动力学；(c)在不同激发态布居时，理论计算的紫外辐射信号强度随延时的演化。

本项研究工作以题为“Photon retention in coherently excited nitrogen ions”发表于Science Bulletin 66, 1511 (2021)。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.001