形状像弹簧玩具的超短光脉冲为光子学带来新的变化
发布时间：2023-06-12 08:00:00 阅读数： 52
合成具有宽带拓扑-光谱关联性的时空光束。资料来源：《自然-光子学》（2023）。DOI: 10.1038/s41566-023-01223-y
我们都至少玩过一次弹簧玩具，但你知道光的形状也可以像弹簧一样吗？
一个由意大利理工学院（IIT）前研究员、现为葡语国家大学物理系教授、微系统和纳米技术工程研究所（INESC MN）首席研究员Marco Piccardo领导的国际研究小组，已经利用超高速光学和结构光在实验室里合成了一个新的时空光束系列，即光弹簧。
这项研究是由IIT、米兰理工大学和里斯本理工学院合作完成的。这一发现对复杂光线的光子学应用具有颠覆性的潜力，如时间分辨显微镜（例如，有助于制作描述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《自然-光子学》上。
在超快光学中，有可能缩短或拉长极短的光脉冲的持续时间--低至几个飞秒，或千分之一秒，甚至通过一种被称为脉冲整形的技术来产生复杂的脉冲。这一原理的核心思想是，短激光脉冲是由大量的颜色组成的。
科学家们将一个脉冲分离成其组成的颜色，然后对其进行单独操作和重新组合，从而产生一个新的激光脉冲形状。虽然脉冲塑形允许操纵脉冲的时间轮廓，但还有另一套技术，即所谓的波前塑形，允许给光一个空间结构。光的设计者已经学会了如何将这两种方法结合起来，同时在空间和时间上塑造光，将超快光学和结构光连接起来，实现全新的时空应用。
时空光塑造的范式转变
在《自然-光子学》杂志上，Piccardo和他的合作者提出了一个时空光塑造的范式转变。与传统的沿着彩色条带分离不同颜色的整形器不同，现在研究人员使用了一种具有圆形对称性的特殊类型的衍射光栅，以创造一个圆形的彩色彩虹。
这是一个每个人都可以在家里尝试的实验：用手电筒照射旧的CD-ROM，然后用手机摄像头拍照，就可以拍到一个圆形的彩虹。现在，把手电筒换成超短激光脉冲，把光盘换成在纳米加工洁净室中制造的微结构衍射装置，你就完成了一半的实验。实验的第二部分包括使用先进的全息图将多种颜色的光结构成不同的光学旋涡，形状像开瓶器。
"马可-皮卡多说："这导致了一个新颖的时空光束家族，它在超短的飞秒时间尺度上演化出扭曲的、可广泛定制的光结构。"它在光子学中开启了前所未有的设计能力，有许多光谱和结构成分需要解决。"
这些新光束的宽带性质给它们的表征带来了新的挑战，该团队通过开发一种强大的重建技术，即超光谱全息技术，提供复杂时空结构的完整断层扫描，克服了这一挑战。
"我们的技术结合了全息术和傅里叶变换光谱学，能够对复杂光束的时空轮廓进行全面表征，在研究光-物质相互作用方面实现了全新的应用，"米兰理工大学教授、该研究的共同作者Giulio Cerullo说。
该团队展示了他们的时空塑造器通过定制光弹簧的许多特性而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弹簧在空间和时间上一起跳舞。
"我们利用这些光束发现了极其有趣的物理学，这可能会导致我们在等离子体中找到全新一代的紧凑型加速器和光源。这项技术非常令人兴奋，因为它有望将这些理论概念带入实验室，并引发激光-等离子体物理学的重大进展，"里斯本理工学院教授、该研究的共同作者Jorge Vieira说。
现在终于有可能在实验室里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。
"Piccardo说："这是一个非常具有挑战性的目标，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一个理想的生态系统来进行这一雄心勃勃的研究。"将这些先进的时空光束与强烈的非线性激光-物质相互作用结合起来，可以产生重要的基础和技术影响。"
更多资料：Marco Piccardo et al, Broadband control of topological–spectral correlations in space–time beams, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01223-y
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