近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在超快渦旋脈沖時(shí)空域測(cè)量研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型的自參考時(shí)空域測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浜蓴?shù)|l| = 1，2，3的超快渦旋脈沖全電場(chǎng)時(shí)空域測(cè)量。相關(guān)研究成果以“Self-Referencing 3D characterization of Ultrafast Optical-Vortex Beams Using Tilted Interference TERMITES Technique”為題發(fā)表于Laser & Photonics Reviews，并被選為內(nèi)封面文章。

攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋光束具有獨(dú)特的強(qiáng)度分布和相位結(jié)構(gòu)，獲得了光學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。尤其是具有高峰值功率與超快時(shí)間特性的超快渦旋光場(chǎng)，在非線性光學(xué)、光與物質(zhì)相互作用研究中具有重要應(yīng)用，也為非線性頻率轉(zhuǎn)換、激光微加工和強(qiáng)場(chǎng)物理等領(lǐng)域提供新的激光條件。因此，探究超快渦旋光的時(shí)空三維特性，發(fā)展超快渦旋光的測(cè)量和表征方法具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。傳統(tǒng)的超快渦旋光時(shí)空域測(cè)量方法依賴(lài)于參考光的使用，這在很大程度上限制了實(shí)際應(yīng)用。

圖1 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，(b) 空域測(cè)量和時(shí)域測(cè)量過(guò)程中各個(gè)光束的偏振方向，(c) 傾斜剪切干涉圖和FROG采樣位置。

圖2 不同拓?fù)浜蓴?shù)的超快渦旋脈沖時(shí)空域測(cè)量 (a) l = -1，(b) l = 2，(c) l = 3。

針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基于傳統(tǒng)的TERMITES時(shí)空域測(cè)量技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種新型的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的時(shí)空域測(cè)量裝置。通過(guò)在參與干涉的兩路光之間產(chǎn)生微小夾角(圖1a)，相位奇點(diǎn)的信息能夠被呈現(xiàn)在干涉圖上（圖1c），從而獲得完整的空域信息。為了實(shí)現(xiàn)單次掃描完成全電場(chǎng)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置集成了采樣式的FROG結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)時(shí)域測(cè)量。由于時(shí)域測(cè)量中兩路光的強(qiáng)度差較大，研究人員采用了晶體的第二類(lèi)相位匹配方式以提高信噪比。通過(guò)在延時(shí)路（圖1a中的綠色光束）中插入一塊雙折射石英晶體，使原有的線偏光變成具有一定延時(shí)和強(qiáng)度差異的正交偏振光（圖1b）。這樣既保證了強(qiáng)度較大的偏振光可以與圖1a中的粉色光束發(fā)生干涉，獲得用于空域測(cè)量的干涉圖，同時(shí)也降低了時(shí)域測(cè)量中非線性和頻時(shí)兩路光的強(qiáng)度差異。利用該測(cè)量裝置，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浜蓴?shù)為1、2、3的超快渦旋光時(shí)空域測(cè)量（圖2）。

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