【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯合實驗室研究團隊，在超快時空光場測量領域取得重要突破，成功研發時空波前傳感器(STWFS)，首次實現對時空波包的單次自參考三維光場表征，為超快激光領域、光與物質相互作用等領域的研究提供了關鍵檢測工具。相關研究成果以“Single-shot 3D characterization of spatiotemporal wave packets via a spatiotemporal wavefront sensor (STWFS)”為題，發表于Optica。
如何穩健地實現單發超短脈沖時空三維光場表征，特別是新穎的時空結構光場，是多個領域長久以來的共性難題和緊迫需求。針對這個瓶頸難題，研究團隊創新提出基于波分復用的時空波前傳感技術。該技術通過特殊設計的二維光柵與窄帶通濾波器，將不同波長的光場映射到波前傳感器的不同空間位置，結合時域測量設備，從而實現單個激光脈沖的完整三維光場拍攝。該方法特點有高空間分辨率與高光譜分辨率，無需依賴外部參考光，并且完全避免了信息混疊導致的測量精度損失。
研究團隊制造了一個緊湊的原型機，是已有報道綜合性能最好的短脈沖時空三維光場測量設備，在單幀內具有295×295空間采樣和36通道光譜采樣，光譜分辨率0.5nm；脈沖前沿傾斜精度驗證實驗結果表明，時空相位重建絕對精度達到1.87nm RMS(0.95%)。并利用STWFS首次實現了對具有橫向軌道角動量的時空波包的單次三維光場表征，并獲得了時空渦旋脈沖聚焦傳輸過程的動態可視化。
作為一種通用的時空光場表征方法，STWFS可應用于任何類型的超短激光束，并提供三維時空超快診斷，有助于時空光子學以及在不同領域的更廣泛應用，例如激光加工、光與物質相互作用、強場激光物理和光通信。
相關工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、上海市高水平機構建設運行計劃等項目的支持。
圖1 STWFS系統原理圖
圖2 STOV光波包測量案例
圖3 角色散測量案例
圖4 空間光譜域嵌入SIOM字母的超快光場測量
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