Enkelbildsmässig spatiotemporär karakterisering av ultrakorta lasrar baserad på spektralinterferometri med fiberarray

Varför kraftfulla laserpulser behöver noggrann kontroll

Moderna superlasrar kan under korta ögonblick överglänsa all effekt som används på jorden, och forskare använder dem för att utforska extrem fysik, från att skapa partikelstrålar till att simulera förhållanden i stjärnor. Men dessa ultrakorta, ultraintensiva pulser är användbara endast om deras ljus är perfekt formgivet både i rum och tid. Även små störningar kan dramatiskt försvaga fokuseringen och vilseleda experiment. Denna artikel presenterar ett nytt sätt att ta ett detaljerat ”ögonblicksbild” av sådana laserpulser i en enda avfyrning, vilket gör det mycket enklare att ställa in världens kraftigaste lasrar.

Ett nytt sätt att se en laserpuls

Författarna presenterar en teknik kallad SIFAST, en förkortning av ”spektralinterferometri med fiberarray för enkelbildsmässig spatiotemporär karakterisering.” I vardagliga termer låter SIFAST forskare kartlägga hur en laserpuls är fördelad både över sin tvärsnittsarea och under dess flyktiga varaktighet, samtidigt. Traditionella kameror kan endast spela in två dimensioner åt gången, så äldre metoder var tvungna att skanna strålen punkt för punkt eller upprepa mätningen över många avfyrningar—opraktiskt för enorma petawatt-lasersystem som kanske skjuter bara några gånger i timmen. SIFAST övervinner denna begränsning genom att omarrangera informationen på ett smart sätt så att en enda mätning fångar pulsen fulla tredimensionella struktur.

Hur fibrer förvandlar en stråle till data

I centrum för SIFAST finns en särskilt utformad bunt tunna glasfibrer. Först delas den inkommande laserstrålen i två vägar: en ”test”-stråle, vars form är okänd, och en ”referens”-stråle som skapas från en liten, noggrant rengjord del av samma ljus. Dessa två strålar överlappar och interfererar med varandra och bildar känsliga mönster som kodar hur deras vågor skiljer sig i rum och färg. Istället för att låta en kamera kämpa med att spela in ett komplext mönster på en gång, tar fiberbunten prov på strålen vid många punkter arrangerade i ett rutnät och omordnar sedan fysiskt dessa punkter till en enda linje vid sin utgång. Denna linje av fibrer matar en bildande spektrometer, som sprider färgerna och registrerar en prydlig matris av interferensmönster, ett för varje punkt på den ursprungliga strålen.

Återskapa laserens form i rum och tid

Från dessa inspelade mönster använder teamet enkla matematiska verktyg—i första hand Fouriertransformer—för att extrahera hur ljusvågen utvecklas vid varje provtagningspunkt. Eftersom test- och referensstrålarna färdas genom samma fibrer nästan samtidigt, släcks slumpmässiga störningar som normalt skulle radera vågfronten ut, vilket ger en ren bild. Metoden återvinner både ljusets intensitet och fas, vilka tillsammans definierar pulsen fullständiga elektriska fält. I praktiska termer kan SIFAST rekonstruera pulsens tredimensionella struktur med nästan tvåhundra provpunkter på omkring fem sekunder, tillräckligt snabbt för rutinövervakning och återkoppling i stora lasersystem.

Sätta metoden på prov

För att demonstrera vad SIFAST kan göra undersökte forskarna flera krävande typer av laserstrålar. De mätte först en välbetad Gaussisk stråle för att kalibrera systemet och bekräftade att pulsfronten—ytan där pulsen når sitt maximum—var extremt plan, som väntat. Därefter studerade de ”vortex”-strålar, vilkas vågfronter vrider sig som korkskruvar och används i avancerade optiska experiment. SIFAST återgav framgångsrikt de spiralformade mönstren som hör till olika vortex-styrkor. De införde sedan en kontrollerad lutning i pulsfronten med ett glasprisma, och SIFAST mätte både lutningen och hur vågfronten roterade med färg korrekt. Slutligen tillämpade de tekniken på en fyrgitterkompressor, en nyckelkomponent i många högkraftslasrar, och visade att SIFAST kunde följa hur små vinkeländringar av ett gitter ändrade pulsfrontens lutning, i överensstämmelse med teoretiska förutsägelser.

Varför detta spelar roll för extremt ljus

Studien visar att SIFAST erbjuder ett snabbt, tillförlitligt och flexibelt sätt att övervaka den fulla rums- och tidsstrukturen hos ultrakorta laserpulser i en enda avfyrning. För gigantiska petawatt-anläggningar, där varje puls är dyrbar och strålstorlekarna är enorma, är denna typ av realtidsdiagnostik avgörande. Den gör det möjligt för operatörer att upptäcka och korrigera subtila störningar som annars skulle skära ner intensiteten i fokus, och hjälper forskare att tolka experimentella resultat med större säkerhet. I praktiken ger SIFAST forskare en tydlig tredimensionell bild av några av de mest extrema ljusblixtar som någonsin skapats, vilket banar väg för mer precisa och kraftfulla experiment inom högfältsfysik.

Citering: Xu, Y., Shen, X., Chen, R. et al. Single-shot spatiotemporal characterization of ultrashort lasers based on spectral interferometry with fiber array. Commun Phys 9, 151 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02581-z

Nyckelord: ultrakorta lasrar, petawatt-laserdiagnostik, spatiotemporär pulskarakterisering, spektralinterferometri, fiberarray-tekniker