上海光机所研究团队在时空光场测量方面取得重要突破

图1 STWFS系统原理图

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室研究团队，在超快时空光场测量领域取得重要突破，成功研发时空波前传感器(STWFS)，首次实现对时空波包的单次自参考三维光场表征，为超快激光领域、光与物质相互作用等领域的研究提供了关键检测工具。相关研究成果以“Single-shot 3D characterization of spatiotemporal wave packets via a spatiotemporal wavefront sensor (STWFS)”为题，发表于Optica。

如何稳健地实现单发超短脉冲时空三维光场表征，特别是新颖的时空结构光场，是多个领域长久以来的共性难题和紧迫需求。针对这个瓶颈难题，研究团队创新提出基于波分复用的时空波前传感技术。该技术通过特殊设计的二维光栅与窄带通滤波器，将不同波长的光场映射到波前传感器的不同空间位置，结合时域测量设备，从而实现单个激光脉冲的完整三维光场拍摄。该方法特点有高空间分辨率与高光谱分辨率，无需依赖外部参考光，并且完全避免了信息混叠导致的测量精度损失。

研究团队制造了一个紧凑的原型机，是已有报道综合性能最好的短脉冲时空三维光场测量设备，在单帧内具有295×295空间采样和36通道光谱采样，光谱分辨率0.5nm;脉冲前沿倾斜精度验证实验结果表明，时空相位重建绝对精度达到1.87nm RMS(0.95%)。并利用STWFS首次实现了对具有横向轨道角动量的时空波包的单次三维光场表征，并获得了时空涡旋脉冲聚焦传输过程的动态可视化。

图2 STOV光波包测量案例

图3 角色散测量案例

图4 空间光谱域嵌入SIOM字母的超快光场测量

作为一种通用的时空光场表征方法，STWFS可应用于任何类型的超短激光束，并提供三维时空超快诊断，有助于时空光子学以及在不同领域的更广泛应用，例如激光加工、光与物质相互作用、强场激光物理和光通信。

相关工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、上海市高水平机构建设运行计划等项目的支持。