时空结构光场研究综述：从基础理论到前沿应用

时空结构光场研究综述：从基础理论到前沿应用

光场调控是当前光学研究的热点，时空结构光场的出现更是将光场调控推向了一个新的高度。通过编织时间和空间维度，时空结构光场拓展了光场的自由度，使其在空间和时间上都呈现出更加丰富的调制特性。这种独特的时空耦合特性赋予了时空光波包一系列新颖的物理效应，为光场调控提供了前所未有的灵活性和精确性，为未来新一代光子学研究和应用开辟了全新的思路和视角。

近期，上海理工大学詹其文教授应Photonics Insights主编邀请，撰写了题为“Spatiotemporal Optical Wavepackets: from Concepts to Applications”的长篇综述论文，并以“封面文章”的形式发表于Photonics Insights 2024年第4期。

该综述论文全面地回顾并深度总结了近年来时空光波包的研究进展，详细阐述了时空结构光场的基本调控理论、实验产生技术与操纵手段、时空特性表征方法与技术，并探讨了发展中涌现出的新物理现象，展望了其潜在的应用领域、未来发展所面临的挑战与趋势。无论是对该领域造诣深厚的专家，还是初涉此领域的学习者，这篇综述论文均能提供全面而详尽的基础理论框架与最新研究进展概览，为时空光波包的持续探索和未来发展提供新的思路和见解。

图1 时空光波包研究进展示意图：基础、产生、表征、应用与展望

如何编织光场的时间-空间维度？

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。

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。

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

携带横向轨道角动量的光子飓风

光子不仅携带能量，还携带动量。1992年，Allen等人发现空间光学涡旋（Spatial optical vortex）能够携带与拓扑电荷成正比的纵向轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM），且该OAM与光束的传播方向平行，如图4所示。时空光涡旋（Spatiotemporal optical vortex, STOV）则是一种典型的时空耦合波包，其螺旋相位位于时空平面内，强度表现为由相位奇点引起的零强度孔洞，并携带垂直于波矢的横向OAM。通过调制超快激光脉冲的二维空间光谱中的特定相位或复振幅，可以生成具有横向OAM的时空光涡旋，这类时空光波包表现出了特定的时空光模式结构，如时空贝塞尔光学涡旋和时空拉盖尔-高斯光学涡旋波包等。这些新型时空结构光的产生与变换不仅拓宽了光学研究的边界，也促进了其在物质波(如声波)和非线性领域中的应用与发展。

图4 具有横向轨道角动量的STOV波包：(a) 空间涡旋与时空涡旋比较；(b) 时空光涡旋；(c)和(d) 贝塞尔时空光涡旋；(e) 时空拉盖尔/厄米特-高斯光波包；(f) 时空光涡旋的二次谐波产生

另一方面，通过打破光学材料结构对称性设计的集成微纳器件，可以在更小尺度上高效生成具有特定OAM的STOV，如图5所示。这种方法不仅简化了系统结构，降低了复杂性，还提升了生成效率，为STOV在光学信息处理、激光微加工和非线性光学等领域的应用提供了新的机遇。

图5超表面和微结构器件产生时空光涡旋

光学环面与时空拓扑

通过级联新型空间光调制技术，如变换光学和微纳器件偏振调控等，研究人员可以生成具有三维时空结构的光波包，如图6所示。这种三维时空光波包具有时空三维耦合特性，展现出独特的物理性质和时空拓扑结构。这种新型光波包在基础物理研究和非线性光场调控等领域具有广阔的应用前景，有望推动光学研究向更高维度和更复杂的方向发展。

图6 三维时空涡环及光学拓扑结构

无衍射时空光片

时空光片是一种特殊的时空光波包，其在自由空间传播时具有独特的无衍射特性。通过精巧的空间-光谱调制，研究者设计出具有各种复杂时空结构的时空光片。这种波包的空间和时间频谱紧密关联，使得其在传播过程中能够保持稳定的强度分布，并展现出许多新奇的物理现象。时空光片在等离子体物理和超快光学等领域具有广阔的应用前景，为研究光与物质的相互作用提供了新的平台。

图7 具有空间频率-时间频率紧密关联的时空无衍射光片

时变螺旋波包

传统脉冲光束的光学特性通常是静态的。相比之下，时空光波包，尤其是具有时间变化轨道角动量的螺旋光束，展现出丰富的时变特性。这种独特的时空结构使得时空光波包在光与物质相互作用和非线性光学等领域具有巨大的应用潜力。通过对时空光波包的深入研究，研究者可以实现对光场的时间和空间特性的精细调控，为光学领域开辟新的研究方向。

图8 具有时变特性的时空螺旋光波包

时空光波包表征与重构

时空光波包同时具备时间和空间维度上的结构，其超短脉冲宽度和复杂的时空结构使得精确测量成为一项极具挑战性的任务。传统的测量方法难以同时捕捉其在两个维度上的完整信息。为了深入理解时空光波包的特性，研究者们发展了一系列基于时间延迟离轴干涉和空间-光谱干涉等技术的测量方法，并通过引入非线性效应实现了对波包的单次快速测量，如图9所示。这些方法的原理和优缺点在综述中得到了详细讨论。

图9 线性与非线性时空波包测量表征技术

总结与展望

时空结构光作为新兴的光学研究领域，正以前所未有的速度推动着光学技术的革新与突破，为我们揭开了一片全新的光学世界。它不仅极大提升了光子学基础研究的深度，也预示着新兴光学技术与应用正迈入前所未有的新时代。

本综述全面系统地梳理了结构光场时空调控领域的最新进展，从基础理论到前沿应用，为研究人员提供了一个全景式的综述。该综述不仅总结了已取得的丰硕成果，更深入探讨了该领域面临的挑战和机遇，为未来的研究提供重要参考。

鉴于时空光场正处于从萌芽向蓬勃发展的过渡阶段，本综述最后深入探讨了时空光波包在光与物质相互作用、光计算、信息编码与复用、量子信息等领域的潜在应用，为该领域未来的研究方向提供了系统而前瞻性的展望。

展望未来，时空结构光作为下一代光学技术的基础，有望在信息传输、量子计算、光学成像等领域掀起一场革命。随着相关技术的不断成熟，我们将能够对光进行更加精细的操控，实现前所未有的光学功能，为人类社会带来福祉。同时，时空光波包的研究也将推动光学与其他学科的深度交叉融合，为基础科学研究和技术创新提供新的机遇。

本文原文来自Photonics Insights期刊