图：合成具有宽带拓扑谱相关性的时空波束。来源：Nature Photonics（2023）。DOI:10.1038/s41566-023-01223-y

       我们都至少玩过一次弹簧玩具，但你知道光也可以像弹簧一样成形吗？

       由Marco Piccardo领导的一个国际研究团队，利用超快光学和结构光在实验室合成了一种新的时空光束家族，称为光弹簧。

       这项研究对复杂光的光子学应用具有颠覆性的潜力，如时间分辨显微镜（例如，用于制作描述分子和病毒运动的电影）、激光等离子体加速和自由空间（例如，在大气中）光学通信。

       这项研究发表在《Nature Photonics》上。

       在超快光学中，通过一种称为脉冲整形的技术，可以将极短的光脉冲的持续时间缩短或延长至几飞秒，或十亿分之一秒的千分之一，甚至产生复杂的脉冲。这个原理的中心思想是短激光脉冲由大范围的颜色组成。

       科学家们将脉冲分为其组成颜色，然后分别对其进行操纵和重组，从而形成新的激光脉冲形状。虽然脉冲整形可以操纵脉冲的时间分布，但还有另一组被称为波前整形的技术可以赋予光空间结构。光的设计者已经学会了如何将这两种方法结合起来，在空间和时间上同时塑造光的形状，将超快光学和结构光连接起来，用于全新的时空应用。

时空光整形的转变

       Piccardo和他的合作者在《Nature Photonics》上报道了时空光整形的转变。与传统的沿着彩色条纹分离不同颜色的整形器不同，现在研究人员使用了一种圆形对称的特殊类型的衍射光栅，来产生圆形彩虹颜色的光。

       这是一个每个人都可以在家里尝试的实验：用手电筒照一张旧的CD-ROM，用手机摄像头拍下一张照片，就会捕捉到一道圆形的彩虹。现在，用超短激光脉冲代替手电筒，用纳米制造洁净室中制造的微结构衍射器件代替CD-ROM，实验已经进行到一半。实验的第二部分是使用先进的全息图将多种颜色的光构造成形状像螺旋状的不同光学涡旋。

       Marco Piccardo说：“这产生了一个新的时空光束家族，它在超短飞秒时间尺度上进化，具有扭曲和广泛可定制的光结构。”。“它开启了光子学领域前所未有的设计能力，有许多光谱和结构组件需要解决。”

       这些新光束的宽带特性给它们的表征带来了新的挑战，该团队通过开发一种强大的重建技术，即高光谱全息术，提供了复杂时空结构的完整断层扫描，克服了这一挑战。

       Giulio Cerullo说：“我们的技术将全息术与傅里叶变换光谱相结合，能够充分表征复杂光束的时空分布，从而在光与物质相互作用研究中实现全新的应用。”。

       Jorge Vieira说：“我们发现了使用这些光束的非常有趣的物理学，这可能会使我们在等离子体中获得全新一代紧凑型加速器和光源。这项技术非常令人兴奋，因为它有望将这些理论概念带到实验室，并引发激光等离子体物理学的重大进步。”

       现在终于有可能在实验室中完全自由地合成这些光弹簧，下一个自然的步骤将是将它们用于激光等离子体实验。

       “将这些先进的时空光束与强烈的非线性激光-物质相互作用相结合，可能会产生重要的基础和技术意义。”

1.  Marco Piccardo et al, Broadband control of topological–spectral correlations in space–time beams, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01223-y

来源： Técnico Lisboa