【资讯】一束光的“时空交响”：超快激光相干性调控的新维度

2026-10-26 17:40:06

1. 提出时空范西特-泽尼克定理

       传统范西特-泽尼克定理描述了非相干光源经自由空间传播后的空间相干性的演化，为空间相干结构的产生、演化与调控奠定了经典理论基础。团队成员基于波动方程的时间-空间维度的对称性，从光场自由衍射与色散传输理论出发，构建了时空范西特-泽尼克理论框架。如图1所示，为了产生时空非相干光源，在傍轴和慢变波包近似下，利用衍射光栅与柱透镜将相干啁啾脉冲光束转换至时间频率域，由于啁啾特性，傅里叶平面处的电场不同频率成分到达的时间不同，可以看作时空非相干光源，并借助可编程复振幅全息图对空间-频谱（时间）电场进行精准调制，赋予光场预设的时空相干结构，进而构建新型时空非相干脉冲光源。随后，通过第二级柱透镜与衍射光栅对频谱进行重构，并结合自由空间传播，在输出面实现脉冲波包的重新合成，最终获得具有特定时空相干结构的超快光场。

图1 实现时空范西特-泽尼克定理合成部分相干空时波包的装置示意图

2. 时空相干性与关联结构调控实验装置

图2 部分相干时空波包的实验合成与表征及其传播动力学分析

       如图2所示，实验采用中心波长为1030 nm、带宽约20 nm的锁模光纤激光器作为光源。首先，利用偏振分束器（PBS）将脉冲光束分为两路相干复制脉冲，分别作为物脉冲（object pulse）和探测脉冲（probe pulse）。其中，物脉冲进入二维脉冲整形系统，通过空间光调制器（SLM）对光场进行精确调控。实验采用 Holoeye GAEA-2 相位型空间光调制器（3840×2160像素、像元间距3.74 μm、刷新率60 fps），结合复振幅全息编码技术，对输入脉冲的空间–频率振幅与波前进行联合调制，从而按照预设的功率谱密度（PSD）函数构建目标相干模式。在仅施加振幅调制时，可获得预设的空间与频谱强度分布，例如具有高斯形状的目标光场。进一步在空间–频率域引入随机相位调制后，可在SLM后方即时生成部分相干脉冲源的一个随机系综实现，其瞬时电场在空间和频谱维度均呈现随机涨落的强度分布。通过在全息图上连续刷新随机相位，即可获得大量相互独立的随机光场实现，从而构建完整的部分相干光场系综。对于其中任意一个随机实现，均可将其视为具有确定时空结构的完全相干模式。为实现对单个相干模式时空结构的完整测量，实验进一步采用类似马赫–曾德尔干涉仪的扫描干涉测量系统进行表征。探测脉冲首先经过由平行光栅和直角棱镜构成的脉冲压缩器，将其去啁啾并压缩至约120 fs的傅里叶变换极限脉冲，其持续时间远短于待测波包。随后，探测脉冲与物脉冲在特定局部时间位置发生干涉，形成干涉条纹。通过扫描延迟线，获取不同时间延迟下的干涉图样，并结合计算重构方法，最终获得每一个随机系综实现的完整时空电场分布。

3. 时空相干性大小调控

图3 时空相干性大小调控实验结果。(a)实验测量的瞬时电场强度分布；(b)相位分布；(c)所生成随机电场的概率密度分布；(d)-(g)不同PSD调制下的相干度模的平方分布；(h)时间-空间相干宽度的单调可控调控曲线

       如图3(a)和(b)所示，分别给出了所生成时空高斯-谢尔模型（STGSM）系综中某一瞬时随机实现的三维等强度面分布和相位分布。结合实验测得的光场振幅与相位信息，可以进一步获得其联合概率密度函数（PDF），如图3(c)所示。可以看到，该PDF呈现出典型的圆对称高斯分布，表明所生成的随机波包服从瑞利统计，并对应于具有统计平稳性和空间均匀性的随机光场。基于这一统计特性，可以通过归一化的二阶强度关联函数获得光场的相干性信息，而二阶强度关联函数则可由统计平稳、空间均匀的随机光场系综的强度自相关函数计算得到。图3(d)-(g)展示了在不同功率谱密度（PSD）空间宽度和频谱宽度条件下测得的相干性分布，其中虚线和实线分别表示实验原始数据的截面线以及高斯拟合结果。实验结果表明，所生成的部分相干波包在空间和时间维度上的相干函数均呈典型的钟形（高斯型）分布，与高斯-谢尔模型（Gaussian Schell-model, GSM）的理论描述高度吻合。通过高斯拟合得到的半高全宽（FWHM），可以定量表征光场在空间和时间维度上的相干宽度（或相干度宽度，DOC）。随着PSD函数的空间宽度和频谱宽度增大，光场在相应空间和时间维度上的相干宽度逐渐减小，表明通过调控PSD函数可以实现对时空相干性的连续调节。图3(h)进一步对比了不同PSD空间宽度和频谱宽度条件下，时空相干宽度的理论模拟结果与实验测量结果。二者表现出良好的一致性，充分验证了实验方法的可靠性，并表明通过调节部分相干波包的PSD函数，可以单调、可控地调节其空间与时间相干宽度，从而实现时空相干结构的精准设计。

4. 任意时空相干结构的调控

       在实现空间和时间相干宽度独立调控的基础上，该方法还能够进一步灵活构建具有特定时空关联结构的部分相干波包。为展示这一能力，团队成员以时空厄米-高斯关联谢尔模型（space-time Hermite-Gaussian correlated Schell-model, STHGCSM）波包为代表性实例，对其时空相干结构进行实验构建与验证。如图4(a)所示，给出了所生成的STHGCSM?,?波包中某一随机系综实现的瞬时强度分布。图4(b)和(c)分别展示了该波包时空相干结构的实验测量结果与数值模拟结果。团队成员还进一步构建了不同阶数m和n的厄米-高斯（HG）关联部分相干波包，其对应的时空相干结构如图4(d)-(f)所示。实验结果与数值模拟结果表现出高度一致性。不同阶数的时空相干结构均呈现出非高斯包络及复杂的结构化特征，充分证明了该方法能够突破传统高斯型相干结构的限制，实现空间和时间两个维度上非高斯、结构化时空相干性的灵活构建与精准调控。这一结果表明，所提出的实验框架不仅能够调节相干宽度，还能够进一步按照预设的相干函数形式，实现部分相干波包时空相干结构的定制化设计。

图4 具有特殊时空关联结构的部分相干波包的测量结果。(a)实验测量的瞬时电场强度分布；(b)-(f)不同阶数的厄米-高斯时空关联结构分布；(g)自由空间传输远场的瞬时强度分布；(h)自由空间传输远场的时空相干结构分布；(i)时空相干结构调控下的色散传输后的强度分布

       综上，研究团队在理论上提出并在实验上验证了一种时空相干随机光场调控的新方法，建立了经典范西特-泽尼克定理的时空类比理论框架，并以此为基础实现了随机光场时空相干性的灵活调制。通过在输入啁啾激光脉冲上加载具有预设振幅调制的随机波前，团队成员实现了对所产生的统计平稳、空间均匀部分相干波包的时空相干宽度与相干结构的精准控制。

       目前，该技术已实现对激光光场二阶统计参量“相干性”的按需调控，但受限于现有光场调控手段，其对光场一阶统计特性（如强度分布）的独立调控能力仍较为有限，因而尚难实现光强分布与相干性的协同、独立调控。进一步结合随机介质的统计特性有望突破现有调控自由度的限制，实现光场强度与相干性等多阶统计参量的协同调控与独立操纵，从而构建具有更高维度、更大自由度和更强可编程能力的新型结构化光场。

参考文献： 中国光学期刊网

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