人类对光的掌控始于古人利用铜镜聚光的智慧，如今已迈入可实现四维操控的量子时代。光操控技术的每一次飞跃，都是推动人类文明进步的重要动力。从古罗马人以镜聚日，焚毁敌舰，到英国科学家托马斯·杨通过双缝干涉实验揭示光的相干性，人类对光的操纵已从简单的强度调制逐步扩展至更高维度的探索。如今，科学家们不再满足于塑造光在空间中的分布形态，而是致力于将时间维度纳入操控范畴，迈向真正意义上的四维时空结构化光场的构建。
近期，南非威特沃特斯兰德大学Andrew Forbes院士撰写了题为“Structured light in space and time”的评论文章，详细点评了上海理工大学詹其文教授发表在Photonics Insights上题为“Spatiotemporal Optical Wavepackets: from Concepts to Applications”的综述论文，该评论文章发表于Photonics Insights 2025年第4卷第2期。
从二维到四维：光的“时空雕刻”
传统的光场调控主要聚焦于二维横向平面的强度与相位分布。例如，凸透镜利用傅里叶变换将空间位置映射到动量空间，空间光调制器则可实时生成复杂的光学全息图案，从而实现对空间结构的灵活操控。然而，这些技术仅限于光的空间自由度，而忽视了时间效应。超快激光技术的出现彻底打破了这一局面——飞秒（10-15s）乃至阿秒（10-18s）级的超快脉冲如同“时间显微镜”，使得科学家能够捕捉并“冻结”光的瞬态行为。借助交叉相关器与自相关技术，研究者得以精确测量光脉冲的时空强度分布，建立起一把“时空标尺”，为真正意义上的时空光场调控奠定了基础。
此外，基于克尔透镜锁模技术的钛蓝宝石激光器实现了超短脉冲的稳定输出，而“4f 脉冲整形器”则通过色散元件（如光栅、棱镜等）与空间光调制器相结合，能够对光频域进行精确而独立的调控。这一技术推动了物理、化学等多个领域的重要突破，甚至在诺贝尔物理和化学奖的相关研究中发挥了关键作用。然而，光的时空耦合效应长期以来一直被视为一种不可避免的负面产物，而非一种可加以利用的资源。
直到近年，科学家们才逐渐意识到，光的时空耦合不仅不是“副作用”，反而蕴含着巨大潜能。例如，若携带轨道角动量（OAM）的光涡旋在时间上发生动态变化，便可产生一种称为“自扭矩”的时空轨迹，其角动量随时间连续变化，拓展了光学旋涡的物理图景。而光场的非分离态——即其空间与时间自由度不可分离的结构——则被视为量子纠缠在经典领域的类比。这些突破性的发现不仅拓展了我们对光本质的理解，也标志着光调控技术正式步入四维时空的新时代。
图1 (a)时空耦合导致不同时间展现出不同的空间模式；(b)时空耦合导致不同空间位置展现不同的时间信号变化[1]
时空光波包：简单的时空“漩涡”到复杂的时空本征模
在四维光场的众多奇观中，最引人注目的莫过于时空波包（Spatiotemporal Wave Packets, STWPs）。这类波包打破了传统光场在空间与时间维度上的可分离性，展现出前所未有的物理特性。例如，如图2所示，时空光涡旋（Spatiotemporal Optical Vortex, STOV）在时空平面中呈现螺旋状相位结构，携带垂直于传播方向的横向轨道角动量，构成一种独特的时空角动量态。
同时，作为时空光学的本征模式，时空拉盖尔-高斯（LG）和厄米特-高斯（HG）波包则展现出复杂而精致的时空拓扑结构，为进一步塑造时空结构光提供了完备正交态。这类涡旋不仅能够在自由空间中实现稳定传播，还可借助超表面在纳米尺度上精准生成，为光学器件的微型化与集成化设计开辟了全新路径。
图2 具有横向轨道角动量的STOV波包：(a) STOV；(b, c)贝塞尔STOV；(d)时空本征光学模式[2-3]
生成技术：从“4f整形器”到超表面革命
生成时空波包的关键挑战，在于如何协同调控光的空间与时间两个自由度。早期的实现方案多依赖复杂的“4f脉冲整形器”系统：通过光栅将光谱展开，再利用空间光调制器（SLM）对各个频率分量进行逐一操控，实现频域精细整形。例如，美国工程院院士 Andrew M. Weiner 教授提出并推广的一维脉冲整形技术，能够对时间波形任意调控。这一方法不仅展现了对光场结构的高度可控性，也为高维时空光场的精密构建提供了重要工具。
图3 (a)使用介电超表面的超快光学脉冲整形。在4f配置中，使用超表面器件在频率平面上执行二维复振幅调制；(b)在由倾斜的纳米栅格组成的微尺度平台上生成STOV，倾斜视图和侧视扫描电子显微镜图像，该倾斜的纳米栅格[2]
然而，传统方案设备庞大且效率低下。近年来，超表面的崛起为时空波包的微型化提供了突破口。如图3(a)所示，这种亚波长结构的人工材料，能通过几何相位和传播相位的协同作用，在单一平面内实现光场的多维调控。例如，倾斜纳米光栅可通过打破空间对称性，直接在动量-频率域构造相位奇点，最终在远场生成时空涡旋。这种“片上生成”技术不仅体积小巧，还能实现高达100阶的拓扑荷调控能力（如图3(b)所示），远超传统方法的极限。
应用蓝图：从量子通信到超强场物理
时空波包的独特性质正在开启一系列革命性应用：
1、光镊与微粒操控
传统光镊利用光的纵向轨道角动量驱动微粒旋转，而时空波包的横向角动量为三维操控提供了新可能。例如，如图4(a)所示，通过超表面生成STOV脉冲，可在飞秒时间尺度上对纳米颗粒施加可控扭矩，实现亚波长精度的定向运动。
图4 (a)使用横向OAM的光学捕获；(b)基于STOV字符串的数据传输方案；(c)通过相对论时空光学操控生成孤立的阿秒电子片。STOV脉冲从左侧入射并辐射到纳米线靶上，以及由STOV脉冲驱动的电子密度
2、高容量光通信
时空波包的多维自由度为信息编码提供了新维度。近期实验表明，通过构建“时空涡旋串”（STOV strings），可在单一脉冲中编码多位信息，其容量远超传统OAM复用技术（如图4(b)所示）。这种“多态横向OAM键控”（MS-TOAMSK）技术，有望将光通信速率提升至太比特量级。
3、超强场物理
在相对论强度（>1018 W/cm2）下，时空涡旋脉冲与等离子体相互作用时可产生阿秒级电子片。这种高度局域化的电子束，为紧凑型粒子加速器与新型辐射源开辟了道路。此外，时空波包的拓扑特性还可用于调控高次谐波产生过程中的角动量传递，实现光子-电子态的精密操控。
未来挑战：从基础到技术落地
尽管前景广阔，时空波包研究仍面临多重挑战：
1、表征技术：现有的时空分辨测量（如时间切片干涉法）需扫描整个脉冲持续时间，难以适应高重复率系统。虽然有研究工作者提出的单帧空间—频谱干涉技术能实现单次测量，但时间分辨率受限于探测器的响应速度。
2、传输损耗：时空波包在光纤或多模波导中传输时，会因模间色散与非线性效应迅速退化。近期实验显示，通过预啁啾调控和少模光纤优化，STOV脉冲可在1m距离内保持拓扑稳定性，但长距离传输仍是难题。
3、集成化瓶颈：超表面与纳米光子器件虽能实现片上生成，但其设计依赖复杂的逆向优化算法，且大规模生产仍存在工艺挑战。有研究人员提出利用多层光子晶体和啁啾布拉格光栅为紧凑化提供了新思路，但离实际应用尚有距离。
正如Andrew Forbes教授在评论文章中表示——时空光场的篇章刚刚翻开，未来将有更多激动人心的章节等待书写。或许不久后，我们手中的手机镜头将内置纳米超表面，实时生成时空涡旋用于6G通信；而实验室中的飞秒激光，则化身“光之刻刀”，在原子尺度上构造未来材料的骨架。
参考文献：
[1] Andrew Forbes. Structured light in space and time[J]. Photonics Insights, 2025, 4(2):C02.
[2] Xin Liu, Qian Cao, and Qiwen Zhan. Spatiotemporal optical wavepackets: from concepts to applications [J]. Photonics Insights, 2024, 3(4): R08
[3] Xin Liu, Qian Cao, Nianjia Zhang et al. Spatiotemporal optical vortices with controllable radial and azimuthal quantum numbers. Nature Communication, 15, 5435 (2024).
文章转自：中国激光杂志社
免责声明：转载此文目的在于传递更多信息，仅供读者学习、交流之目的。如有侵权请联系删除
扫一扫
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
