近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室在超快渦旋脈沖時空域測量研究方面取得進展。研究團隊報道了一種新型的自參考時空域測量技術(shù)，實現(xiàn)了對拓?fù)浜蓴?shù)|l| = 1，2，3的超快渦旋脈沖全電場時空域測量。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。

攜帶軌道角動量的渦旋光束具有獨特的強度分布和相位結(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間特性的超快渦旋光場，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、激光微加工和強場物理等領(lǐng)域提供新的激光條件。因此，探究超快渦旋光的時空三維特性，發(fā)展超快渦旋光的測量和表征方法具有一定的學(xué)術(shù)價值和實際意義。傳統(tǒng)的超快渦旋光時空域測量方法依賴于參考光的使用，這在很大程度上限制了實際應(yīng)用。

圖1 (a) 實驗裝置示意圖，(b) 空域測量和時域測量過程中各個光束的偏振方向，(c) 傾斜剪切干涉圖和FROG采樣位置。

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

針對這一問題，團隊基于傳統(tǒng)的TERMITES時空域測量技術(shù)，開發(fā)了一種新型的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的時空域測量裝置。通過在參與干涉的兩路光之間產(chǎn)生微小夾角(圖1a)，相位奇點的信息能夠被呈現(xiàn)在干涉圖上（圖1c），從而獲得完整的空域信息。為了實現(xiàn)單次掃描完成全電場測量，實驗裝置集成了采樣式的FROG結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)時域測量。由于時域測量中兩路光的強度差較大，研究人員采用了晶體的第二類相位匹配方式以提高信噪比。通過在延時路（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和強度差異的正交偏振光（圖1b）。這樣既保證了強度較大的偏振光可以與圖1a中的粉色光束發(fā)生干涉，獲得用于空域測量的干涉圖，同時也降低了時域測量中非線性和頻時兩路光的強度差異。利用該測量裝置，團隊成功實現(xiàn)了拓?fù)浜蓴?shù)為1、2、3的超快渦旋光時空域測量（圖2）。

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