大家一般都玩過(guò)彈簧玩具，但你知道光也可以像彈簧一樣嗎？

由意大利理工學(xué)院（IIT）前研究員Marco Piccardo領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組，現(xiàn)在是Técnico Lisboa物理系教授和微系統(tǒng)和納米技術(shù)工程研究所（INESC MN）的首席研究員，利用超快光學(xué)和結(jié)構(gòu)光在實(shí)驗(yàn)室中合成了一個(gè)新的時(shí)空光束系列， 被稱(chēng)為光泉。

這項(xiàng)研究是由IIT，米蘭理工大學(xué)和里斯本Técnico合作完成的。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜光的光子學(xué)應(yīng)用具有顛覆性的潛力，例如時(shí)間分辨顯微鏡（例如，用于制作描繪分子和病毒運(yùn)動(dòng)的電影），激光等離子體加速和自由空間（例如，在大氣中）光通信。

該研究發(fā)表在Nature Photonics上。

合成具有寬帶拓?fù)涔庾V相關(guān)性的時(shí)空光束。

在超快光學(xué)中，可以通過(guò)稱(chēng)為脈沖整形的技術(shù)縮短或延長(zhǎng)極短光脈沖的持續(xù)時(shí)間 - 低至幾飛秒或千分之一秒 - 甚至產(chǎn)生復(fù)雜的脈沖。該原理的核心思想是短激光脈沖由大范圍的顏色組成。

科學(xué)家將脈沖分離成其組成顏色，然后分別操縱和重新組合，從而產(chǎn)生新的激光脈沖形狀。雖然脈沖整形允許操縱脈沖的時(shí)間輪廓，但還有另一組技術(shù) - 稱(chēng)為波前整形 - 允許為光提供空間結(jié)構(gòu)。光的設(shè)計(jì)者已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，同時(shí)塑造空間和時(shí)間上的光，為全新的時(shí)空應(yīng)用連接超快光學(xué)和結(jié)構(gòu)光。

時(shí)空光塑造的模式轉(zhuǎn)變

Piccardo和他的合作者現(xiàn)在在Nature Photonics上報(bào)道，他們引入了時(shí)空光塑造的范式轉(zhuǎn)變。與沿著彩色條帶分離不同顏色的傳統(tǒng)整形器不同，現(xiàn)在研究人員使用了一種具有圓形對(duì)稱(chēng)的特殊類(lèi)型的衍射光柵來(lái)創(chuàng)建圓形彩虹色。

這是一個(gè)每個(gè)人都可以在家里嘗試的實(shí)驗(yàn)：通過(guò)將手電筒照射在舊CD-ROM上并用手機(jī)攝像頭拍照，將捕獲圓形彩虹�，F(xiàn)在，用超短激光脈沖替換手電筒，用納米制造潔凈室制造的微結(jié)構(gòu)衍射器件替換CD-ROM，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)過(guò)半。實(shí)驗(yàn)的第二部分包括使用先進(jìn)的全息圖將多種顏色的光構(gòu)建成形狀像開(kāi)瓶器的不同光學(xué)渦流。

Marco Piccardo說(shuō)：“這導(dǎo)致了一個(gè)新穎的時(shí)空光束家族，它們?cè)诔�短飛秒時(shí)間尺度上演變，具有扭曲且可廣泛定制的光結(jié)構(gòu)。它開(kāi)啟了光子學(xué)領(lǐng)域前所未有的設(shè)計(jì)能力，有許多光譜和結(jié)構(gòu)組件需要解決。”

這些新光束的寬帶特性為其表征帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)一種稱(chēng)為高光譜全息術(shù)的強(qiáng)大重建技術(shù)來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，該技術(shù)提供了復(fù)雜時(shí)空結(jié)構(gòu)的完整斷層掃描。

米蘭理工大學(xué)教授Giulio Cerullo說(shuō)：“我們的技術(shù)將全息術(shù)與傅里葉變換光譜相結(jié)合，能夠全面表征復(fù)雜光束的時(shí)空輪廓，在光物質(zhì)相互作用研究中實(shí)現(xiàn)全新的應(yīng)用”。

該團(tuán)隊(duì)展示了他們的時(shí)空整形器通過(guò)定制光泉的許多屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)的前所未有的控制。一個(gè)美麗的演示顯示了兩個(gè)這樣的泉水在空間和時(shí)間上一起跳舞。

里斯本電信教授，該研究的合著者豪爾赫·維埃拉說(shuō)：“我們已經(jīng)使用這些光束發(fā)現(xiàn)了非常有趣的物理學(xué)，這可以引導(dǎo)我們獲得全新一代的緊湊型加速器和等離子體光源。這項(xiàng)技術(shù)非常令人興奮，因?yàn)樗�有望將這些理論概念帶到實(shí)驗(yàn)室，并引發(fā)激光等離子體物理學(xué)的重大進(jìn)步“。

現(xiàn)在終于可以在實(shí)驗(yàn)室中完全自由地合成這些光彈簧，下一個(gè)自然步驟將是將它們帶入激光等離子體實(shí)驗(yàn)。

Piccardo說(shuō)：“這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的工作，但里斯本INESC MN的納米光子制造能力和Técnico優(yōu)秀的等離子體研究小組代表了追求這一雄心勃勃的研究的理想生態(tài)系統(tǒng)。將這些先進(jìn)的時(shí)空光束與強(qiáng)烈的非線(xiàn)性激光物質(zhì)相互作用相結(jié)合可能具有重要的基礎(chǔ)和技術(shù)意義�！�

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