背景介绍
随着超快光学的发展，脉冲激光的脉宽变得越来越短，光谱也相应变得越来越宽，导致光场的时间部分和空间部分变得不可分割。当脉冲激光在光路中经过一些透射性光学元件或色散光学元件时，会引入时空耦合效应，这使得我们无法分别测量时间信息和空间信息来完整地表征脉冲激光。传统的诊断技术只能获取脉冲激光的空间平均时间信息，这限制了其在更广泛领域的应用。由于该问题的多维性以及时空耦合效应带来的复杂性，对少周期脉冲激光时空波形的诊断仍然存在较大的挑战。
华中科技大学阿秒超快光学团队提出了一种基于高次谐波的全光时空示波器方法来诊断少周期脉冲的时空信息，精确重构出携带空间啁啾的少周期脉冲激光的时空波形。由于高次谐波产生过程中涉及时空干涉，因此该方法具有极高的时间分辨率(0.4fs)和空间分辨率(1.3um)。相关成果以 为题发表在2025第1期上。
研究亮点
实现高精度地测量少周期脉冲激光的时空波形的关键在于高次谐波产生过程涉及时空干涉，因此，可以把高次谐波当作一个时空干涉仪，用于诊断少周期脉冲激光。通过三步模型可以得知每半个光周期会辐射☢️一次高次谐波。当有待测信号扰动高次谐波产生过程时，每个时间狭缝辐射☢️的脉冲激光会引入一个额外的时空耦合相位。当不同空间位置和不同时间狭缝辐射☢️的脉冲激光在远场相干叠加并通过光栅后，会产生高次谐波光谱。随着待测场与驱动场之间的延时改变，引入的时空耦合相位也会发生变化，进而导致远场的高次谐波谱发生改变。通过分析高次谐波随延时的变化，我们可以精确地反推出待测场的时空波形。首先利用SFA模型和TSL模型计算出高次谐波在远场的分布。其次，通过改变驱动场和待测场之间的延时，提取出第33阶高次谐波的能量振荡随空间变化的二维分布。最后对每一个空间点进行非线性拟合反推出待测场的时空信息。该方法在理论计算中成功重构出含有空间啁啾效应待测场的时空波形，从而验证了该方法的可行性。
图1 理论计算重构待测场结果
实验中，中心波长为780nm的少周期脉冲激光经过分束镜分为两路，一路为驱动场，另一路为待测场，待测场强度约为于驱动场强度的千分之三。驱动场通过凹面镜聚焦后，与氩气反应产生高次谐波；微扰场经过不平行放置的楔形镜对焦点引入空间啁啾效应，从而扰动高次谐波产生过程。最终，利用红外光谱仪测得待测场的空间光谱。
图2 实验光路图与光谱图
最后，利用微扰场光路中放置的电动位移台改变待测场与驱动场之间的延时。通过与理论计算类似的步骤处理高次谐波信号可以精确地重构出待测场的时空波形。从图3中可以看出，重构出来的待测场光谱与实测光谱具有相同的趋势，重构出来的待测场二维分布也具有明显的空间啁啾效应，这与理论计算吻合。
图3 实验重构待测场结果
总结与展望
利用高次谐波产生过程中的时空干涉效应，研究团队成功研发出一种全光时空示波器，该示波器能够精确诊断携带时空耦合效应的少周期脉冲激光的时空波形。该方法具有极高的灵敏度，实验装置简单，不需要依赖于复杂的算法，同时也不受时空耦合效应阶次的限制。此外，该方法适用的光谱范围及强度范围均十分广泛，充分满足日常的实验需求。因此，这一方法为少周期脉冲激光的时空波形表征提供了一种简单可靠的途径，在探测携带时空信息的超快动力学过程中具有重要的应用价值。
引用信息：Qi Zeng, Xinyue Yang, Yimin Deng, Wei Cao, Peixiang Lu, "All-optical spatiotemporal oscilloscope for few-cycle optical waveform," Adv. Photon. 7, 016001 (2025)
期刊简介
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