上海光机所揭示超快时空双折射新效应

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所何飞研究员团队在时空光学领域取得了重要进展。该研究团队首次提出并通过实验验证了一种名为“时空双折射”的新型光学效应，达成了对光在各向异性晶体中传播行为的调控。科研人员通过对入射时空光场的“光谱相位”进行编程，能够连续且大范围地操控双折射，甚至可在正单轴晶体中实现反常的传播速度反转（即e光快于o光）。相关研究成果以“Full - Span Reversible Space - Time Birefringence”为题，于2026年4月发表在《Laser & Photonics Reviews》上。

双折射作为各向异性晶体的基本光学特性，光波于其中的传播行为取决于传播方向以及偏振状态，故而在液晶显示、光通信、生物医学成像与传感等领域有着广泛的应用。传统调控双折射的方式主要依靠外部刺激，例如改变温度、施加电场或者机械应力，不仅响应迟缓、调谐范围极为有限（通常处于10−5至10−3量级），而且无法改变晶体固有的“光性正负”（即正/负单轴晶体）。

随着超快光学以及时空光场调控技术的发展，光的时间维度与空间维度不再相互孤立。研究团队将这一新范式引入晶体光学领域，探索出一条无需改变晶体结构便可调控双折射的新路径。

团队率先提出了“双光锥”理论模型，首次对寻常光（o光）与非常光（e光）在时空光谱空间中的耦合关系进行了统一描述。该模型为解析时空光场在各向异性介质中的复杂演化行为提供了直观的几何图像与严谨的数学框架，为后续探究时空光场在光学晶体中的双折射行为奠定了重要的理论基础。在实验方面，借助光栅的色散特性以及空间光调制器的相位调制能力，构建具有时间频率与空间频率相关性的时空光波。此光波通过 YVO4晶体后与参考光发生干涉，通过连续调节延时线，重建出寻常与非寻常时空光波的时空包络，证实了通过精确调控入射光场的光谱倾斜角（即光谱相位），时空光波双折射在宽动态范围内具备连续可调性（从正值到零再到负值）。其调控范围可达约 0.3，相较于传统的电光、热光调谐手段高出两个数量级以上（大于 100 倍），并且无需对晶体本身施加任何外部刺激。同时，在光谱相位编程的条件下，即便为正单轴晶体（本征属性为 o 光快于 e 光），也能够实现 e 光群速度快于 o 光的反常反转。这种“可逆性”突破了晶体光学符号的物理限制，实现了从正双折射到零双折射、再到负双折射的连续跨越。

此项成果为下一代光电子器件赋予了全新的“调控自由度”，即通过对光场的时空相位结构进行编程，能够动态调控晶体的双折射特性。该技术具备实现偏振态实时全光操控的潜力，可为超快光开关、深层组织成像、大气传输以及激光加工等自适应系统提供动态校正能力。同时，通过补偿偏振分量间的时间走离，能够显著提高高次谐波产生、相干拉曼散射和光参量放大等非线性过程的效率。这对于推动超快光学与光信号处理领域的发展具有重要意义，有望为未来先进光学器件与系统的设计提供新的思路和技术路径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202503213