近日，中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室研究团队，在超快时空光场测量领域取得重要突破，成功研发时空波前传感器（STWFS），首次实现对时空波包的单次自参考三维光场表征，为超快激光领域、光与物质相互作用等领域的研究提供了关键检测工具。相关研究成果以“Single-shot 3D characterization of spatiotemporal wave packets via a spatiotemporal wavefront sensor (STWFS)”为题，发表于Optica。
如何稳健地实现单发超短脉冲时空三维光场表征，特别是新颖的时空结构光场，是多个领域长久以来的共性难题和紧迫需求。针对这个瓶颈难题，研究团队创新提出基于波分复用的时空波前传感技术。该技术通过特殊设计的二维光栅与窄带通滤波器，将不同波长的光场映射到波前传感器的不同空间位置，结合时域测量设备，从而实现单个激光脉冲的完整三维光场拍摄。该方法特点有高空间分辨率与高光谱分辨率，无需依赖外部参考光，并且完全避免了信息混叠导致的测量精度损失。
研究团队制造了一个紧凑的原型机，是已有报道综合性能最好的短脉冲时空三维光场测量设备，在单帧内具有295×295空间采样和36通道光谱采样，光谱分辨率0.5nm；脉冲前沿倾斜精度验证实验结果表明，时空相位重建绝对精度达到1.87nm RMS（0.95%）。并利用STWFS首次实现了对具有横向轨道角动量的时空波包的单次三维光场表征，并获得了时空涡旋脉冲聚焦传输过程的动态可视化。
STWFS系统原理图
作为一种通用的时空光场表征方法，STWFS可应用于任何类型的超短激光束，并提供三维时空超快诊断，有助于时空光子学以及在不同领域的更广泛应用，例如激光加工、光与物质相互作用、强场激光物理和光通信。
相关工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、上海市高水平机构建设运行计划等项目的支持。
相关链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.573122