弹簧状的超短光脉冲为光子学带来新变化

大家一般都玩过弹簧玩具，但你知道光也可以像弹簧一样吗？

由意大利理工学院（IIT）前研究员Marco Piccardo领导的国际研究小组，现在是Técnico Lisboa物理系教授和微系统和纳米技术工程研究所（INESC MN）的首席研究员，利用超快光学和结构光在实验室中合成了一个新的时空光束系列， 被称为光泉。

这项研究是由IIT，米兰理工大学和里斯本Técnico合作完成的。这一发现对具有复杂光的光子学应用具有颠覆性的潜力，例如时间分辨显微镜（例如，用于制作描绘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）光通信。

该研究发表在Nature Photonics上。

合成具有宽带拓扑光谱相关性的时空光束。

在超快光学中，可以通过称为脉冲整形的技术缩短或延长极短光脉冲的持续时间 - 低至几飞秒或千分之一秒 - 甚至产生复杂的脉冲。该原理的核心思想是短激光脉冲由大范围的颜色组成。

科学家将脉冲分离成其组成颜色，然后分别操纵和重新组合，从而产生新的激光脉冲形状。虽然脉冲整形允许操纵脉冲的时间轮廓，但还有另一组技术 - 称为波前整形 - 允许为光提供空间结构。光的设计者已经学会了如何将这两种方法结合起来，同时塑造空间和时间上的光，为全新的时空应用连接超快光学和结构光。

时空光塑造的模式转变

Piccardo和他的合作者现在在Nature Photonics上报道，他们引入了时空光塑造的范式转变。与沿着彩色条带分离不同颜色的传统整形器不同，现在研究人员使用了一种具有圆形对称的特殊类型的衍射光栅来创建圆形彩虹色。

这是一个每个人都可以在家里尝试的实验：通过将手电筒照射在旧CD-ROM上并用手机摄像头拍照，将捕获圆形彩虹。现在，用超短激光脉冲替换手电筒，用纳米制造洁净室制造的微结构衍射器件替换CD-ROM，实验已经过半。实验的第二部分包括使用先进的全息图将多种颜色的光构建成形状像开瓶器的不同光学涡流。

Marco Piccardo说：“这导致了一个新颖的时空光束家族，它们在超短飞秒时间尺度上演变，具有扭曲且可广泛定制的光结构。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为其表征带来了新的挑战，该团队通过开发一种称为高光谱全息术的强大重建技术来克服这些挑战，该技术提供了复杂时空结构的完整断层扫描。

米兰理工大学教授Giulio Cerullo说：“我们的技术将全息术与傅里叶变换光谱相结合，能够全面表征复杂光束的时空轮廓，在光物质相互作用研究中实现全新的应用”。

该团队展示了他们的时空整形器通过定制光泉的许多属性来实现的前所未有的控制。一个美丽的演示显示了两个这样的泉水在空间和时间上一起跳舞。

里斯本电信教授，该研究的合著者豪尔赫·维埃拉说：“我们已经使用这些光束发现了非常有趣的物理学，这可以引导我们获得全新一代的紧凑型加速器和等离子体光源。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“。

现在终于可以在实验室中完全自由地合成这些光弹簧，下一个自然步骤将是将它们带入激光等离子体实验。

Piccardo说：“这是一个非常具有挑战性的工作，但里斯本INESC MN的纳米光子制造能力和Técnico优秀的等离子体研究小组代表了追求这一雄心勃勃的研究的理想生态系统。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具有重要的基础和技术意义。”

相关链接：https://phys.org/news/2023-06-ultrashort-pulses-toy-photonics.html