形状像弹簧玩具的超短光脉冲为光子学带来了新的转折

我们都至少玩过一次弹簧玩具，但您知道光也可以像弹簧一样成型吗?由意大利理工学院(IIT)前研究员、现任TécnicoLisboa物理系教授和微系统与纳米技术工程研究所(INESCMN)首席研究员MarcoPiccardo领导的国际研究团队，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家族，称为光泉。

该研究是IIT、米兰理工大学和TécnicoLisboa合作完成的。这一发现对于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)光通信。

该研究发表在《自然光子学》上。

在超快光学中，可以缩短或延长极短光脉冲的持续时间——低至几飞秒，或十亿分之一秒的千分之一——甚至可以通过称为脉冲整形的技术产生复杂的脉冲。该原理的核心思想是短激光脉冲由大范围的颜色组成。

科学家们将脉冲分成其组成颜色，然后分别对其进行处理和重新组合，从而产生一种新形状的激光脉冲。虽然脉冲整形允许操纵脉冲的时间分布，但还有另一组技术——称为波前整形——允许为光提供空间结构。光的设计师已经学会了如何结合这两种方法在空间和时间上同时塑造光，为全新的时空应用桥接超快光学和结构光。

时空光整形的范式转变

现在在NaturePhotonics中报告，Piccardo和他的合作者介绍了时空光整形的范式转变。与沿着彩色条带分离不同颜色的传统整形器不同，现在研究人员使用一种特殊类型的圆形对称衍射光栅来创建圆形彩虹色。

这是一个每个人都可以在家尝试的实验：用手电筒照旧CD-ROM，用手机摄像头拍照，就会捕捉到一道圆形的彩虹。现在，将手电筒替换为超短激光脉冲，将CD-ROM替换为在纳米制造洁净室中制造的微结构衍射设备，您的实验就完成了一半。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造成形状像开瓶器的不同光学漩涡。

“这导致了一个新的时空光束家族，它在超短飞秒时间尺度上进化，具有扭曲且可广泛定制的光结构，”MarcoPiccardo说。“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对其表征提出了新的挑战，该团队通过开发一种称为高光谱全息术的强大重建技术克服了这些挑战，提供了复杂时空结构的完整层析成像。

“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分布，从而在光物质相互作用的研究中实现全新的应用，”米兰理工大学教授GiulioCerullo说道。该研究的作者。

该团队通过定制光弹簧的许多特性，展示了他们的时空整形器实现的前所未有的控制。一个美丽的演示展示了两个这样的弹簧在时空中一起跳舞。

“我们使用这些光束发现了非常有趣的物理学，这可能会导致我们开发出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重大进展在激光等离子体物理学中，”该研究的合著者、TécnicoLisboa教授豪尔赫·维埃拉(JorgeVieira)说。

现在终于可以在实验室中完全自由地合成这些光弹簧，下一步自然是将它们用于激光等离子体实验。

“这是一个非常具有挑战性的目标，但里斯本INESCMN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进行这项雄心勃勃的研究的理想生态系统，”Piccardo说。“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。”