激光技术的突破或将使我们的技术更快
发布时间：2026-02-26 16:18:46 阅读数： 24
发表于《自然通讯》杂志的最新研究利用空间状态层析成像的概念，测量了激光束参数的详细演化过程，并将其转化为一系列时间分辨、光谱分辨和偏振分辨的空间状态密度矩阵。深入理解这些激光特征的演化过程，将为更高效的光学技术铺平道路。
图片来源：Doug McLean/Shutterstock.com
一种解析光空间断层扫描的新技术
研究激光动力学、电信和非线性光学中的现象需要测量光束的偏振、频谱、时间动态和空间分辨率复振幅。
数据通常由这些光束携带，要么在空间上通过复杂的写入波前，要么在时间上通过专门设计的脉冲包络。
利用光谱和偏振维度，可以实现额外的信息通道复用。激光腔的固有特性可以产生改变的光态。
图 1：激光束从激光源传播的示意图。激光束随时间变化的横截面切片分别用 1、2 和 3 表示。
激光束横截面
借助图 1，可以描述传播光束的参数变化。当激光从光源发出并在自由空间中传播时，其参数的演变可以看作是其横截面按时间分隔的切片。
从图 1 中的切片 1 到切片 3，偏振、频率、强度分布和其他关键参数都可能发生变化。可以分析每个快照，以推断特定属性的演变过程。
光束可能包含多个具有不同时间延迟和多种光谱轮廓的非相干空间场。当激光束由多个空间分量组成时，它们的相干性、波长和频率极难表征。
表征光束参数
尽管已经开发出多种实验技术来评估这种演变，但这些方案在各种假设和参考方面都存在缺陷。例如，传统的光束分析方法要么使用外部参考，要么基于自参考概念来恢复光信号特性。
虽然这种方法可以恢复空间强度、相位和相干性，但可探索的光谱带宽和波长范围受到可用光电元件的限制。
模态分析方法能够对单波长波前进行轮廓分析，并以相机速度动态监测激光束。在许多情况下，我们缺乏先验知识，或者光束本身并不具有可作为合适参考的单一模式。
例如，即使是普遍存在的光学光源，光束的空间模式也常常占据光谱上独特且不同的位置。因此，没有哪个单一的空间分量可以作为整个光谱范围内的合适参考。
在从成像到线性和非线性时空光束整形等不断扩大的应用领域中，光束所承载的成分的多样性使得解码完整的信息变得尤为具有挑战性。
开发一种解析光空间断层扫描的方法
利用斯托克斯偏振测量的高维空间模型，我们创建了一个空间中的光束，并分析了它的时间、光谱和偏振特性。
通常情况下，需要采集数百个空间和时间维度的光谱切片，分别对应两种偏振态。这一过程采用高度并行的方式完成，利用偏振光学器件（如图1所示）、示波器和光谱仪。空间投影测量则使用两个空间光调制器（SLM）和一个单像素光纤耦合探测器。
整个测量过程会干扰投影中可能存在的所有潜在空间分量。每次投影测量都是在未知光束的两种可能空间模式相互干扰后进行的。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一类难以用现有方法分析的光束。这种光源在空间、光谱和时间特性方面都非常引人注目。
通过对VCSEL二极管光束的分析，实验验证了这项新技术。VCSEL允许光束内存在多个相互不相干的空间模式，并且易于进行时间调制。
如上所述，我们采用了实验技术，利用光学器件和探测器对光束进行剖析和重构。同时，我们进行了时空分析和时空光谱分析，以深入研究VCSEL的光束特性。
讨论与展望
利用空间状态层析成像的概念，测量未知光束的全面描述，将其表示为光谱、时间和偏振分辨的空间状态密度矩阵的集合。
即使场在光谱或时间上重叠，每个密度矩阵切片都能分辨出众多相互不相干场的空间复振幅。这展现了这些场在多个切片上的光谱或时间演化。
概念验证测试研究了调制 VCSEL 二极管的复杂时空和光谱输出，这是一类使用当前方法难以分析的光束。
在消费电子、医疗、汽车、传感和成像等众多应用领域，对激光光源进行全面表征的需求日益增长，而这正是当前面临的瓶颈。这些应用，以及其他许多需要全面了解光束特性的应用，例如激光工程、光纤和自由空间光通信、量子信息和遥感，都能从这项技术中获得的知识中获益。
