【资讯】推动超快激光技术（如光学频率梳、光谱成像等）的广泛应用

2025-02-21 17:15:23

　　时空光波包的光学自由度(如强度、相位、极化和频率等光参量)在时间和空间维度上以一种紧密耦合的方式存在并相互作用，其持续时间通常在皮秒(Picosecond，10-12s)到飞秒(Femtosecond，10-15 s)量级。由于超快激光在时间上的振荡频率远高于电光调制器的响应速度，直接控制光脉冲的时间维度信号不可行，因此在频域中进行光谱调制成为一种自然的选择。通常，首先利用色散元件将超快光脉冲的光谱按空间位置展开，通过空间光调制器件对光谱调制来间接实现对脉冲时域波形的控制。4f脉冲整形器是一种调控超快激光脉冲光谱特性的光学装置，通常由一对衍射光栅、一对柱透镜和一个空间光调制器组成，在光学系统中形成一个“4f”结构，如图1所示。

　　4f脉冲整形的最早应用是基于光谱调制，通过调节超短激光脉冲的频谱特性进而改变脉冲在时间域上的波形。在20世纪90年代初，Weiner教授提出并推广了基于4f光学架构的脉冲整形技术，如图2(a)所示。这一技术迅速成为超快激光脉冲调控的标准方法，进而推动了超快激光技术(如光学频率梳、光谱成像等)的广泛应用。

　　图2 4f脉冲整形器的发展：(a) 传统一维脉冲时域整形器;(b) 二维纯相位脉冲整形器;(c) 二维数字全息脉冲整形器

　　在传统的脉冲整形装置中，采用一维的振幅或相位掩模作为频率平面滤波器，仅调制一维时间频率分量，而忽略其空间维度。随着液晶空间光调制器等二维光调制器的成功研发，超快脉冲的时间与空间维度的协同联合调控成为可能，如图2(b)。4f脉冲整形技术与二维空间光调制的结合，使光场的空间相位与光谱相位得以紧密耦合，从而实现了光场在空间和时间维度上的相互作用。

　　如图2(c)所示，将空间数字全息技术与脉冲整形技术进一步结合，形成了二维数字全息脉冲整形器。这种方案不仅能够实现超快脉冲的二维空间光谱相位调控，还可以进行振幅调控，即实现二维空间-光谱复振幅调制，从而实现时空光波包的任意精确调控和制备。这些调控技术的提出与发展有效促进了时空光波包的多样性，为时空光波包在多维度上的协同联合调控奠定了坚实的基础。

　　图3 时空调控级联方案：(a)超表面、微纳结构器件;(b) 变换光学;(c) 多平面光转换器

　　进一步扩展时空调制能力的一个自然思路是将二维脉冲数字全息整形器与成熟的空间调制方案相结合。一方面，可以将其与具有更高调制能力的器件(如超表面、微结构和液晶聚合物器件等)结合，以实现更高分辨率、更宽带宽和更高效率的时空调制。另一方面，将时空调制设备与空间调制系统级联，例如基于变换光学的共形变换(Conformal mapping)技术和多平面光转换(MPLC, Multi Plane Light Conversion)技术等，这种集成能够提供更复杂的时空雕刻能力，开辟几乎无限的可能性。

      参考文献： 中国光学期刊网

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