基于光纤阵列光谱干涉的超短激光单次时空表征

为何强激光脉冲需要仔细检查

现代超强激光在极短瞬间的辐亮可超过地球上所有耗电的总和，科学家利用它们探索极端物理现象，从产生粒子束到模拟恒星内部条件。然而，只有在光在空间和时间上都被精确塑形时，这些超短、超强的脉冲才有用。即便是极微小的畸变也能显著削弱聚焦并误导实验。本文提出了一种新的方法，可以对此类激光脉冲做出单次的详细“快照”，大大简化了对世界上最强激光器的调试工作。

观察激光脉冲的新方法

作者提出了一种称为 SIFAST 的技术，全称为“基于光纤阵列的光谱干涉单次时空表征”。通俗地说，SIFAST 使研究人员能够同时绘制出激光脉冲在横截面上的分布以及在极短时间尺度上的变化。传统相机一次只能记录两个维度，因此旧方法必须逐点扫描或在多次发射中重复测量——对每小时仅发射数次的大型拍瓦级激光系统而言并不现实。SIFAST 通过巧妙重排信息，克服了这一限制，使单次测量即可捕获脉冲的完整三维结构。

光纤如何将光束变成数据

SIFAST 的核心是一束精心设计的细玻璃光纤。首先，入射激光被分为两条路径：一条为“测试”束，其形状未知；另一条为“参考”束，由同一束光中经过精细清理的一小部分产生。这两束光相互重叠并发生干涉，产生编码了它们在空间和频色上差异的精细图样。与其让相机一次性记录复杂的二维图样，不如让光纤束以网格形式在多个采样点处取样，然后在输出端将这些点物理重排为一条直线。该光纤直线输出进入成像光谱仪，光谱仪将颜色展开并记录出整齐的干涉图阵列，每个图样对应原始光束上的一个采样点。

在时空中重建激光形状

根据这些记录到的图样，团队使用直接的数学工具——主要是傅里叶变换——来提取每个采样点处光波的演化。由于测试束和参考束几乎同时通过相同光纤，通常会扰乱波前的随机扰动得到抵消，从而得到干净的图像。该方法能恢复光的强度和相位，这两者共同定义了脉冲的完整电场。就实际应用而言，SIFAST 能在约五秒内利用近两百个采样点重建脉冲的三维结构，足够快以用于大型激光装置的常规监测与反馈。

方法验证

为展示 SIFAST 的能力，研究者检验了几类具有挑战性的激光束。首先测量了用于校准的高斯束，确认脉冲面——即脉冲到达最大值的表面——非常平整，符合预期。随后他们研究了“涡旋”束，这类束的波前像螺旋一样缠绕，在高级光学实验中常见。SIFAST 成功再现了不同涡旋阶数对应的螺旋图样。接着，研究者用一块玻璃棱镜在脉冲面引入了受控的倾斜，SIFAST 准确测量出该倾斜及随波长变化的波前旋转。最后，他们将该技术应用于四栅压缩器——许多高功率激光中的关键元件——并展示了 SIFAST 能够跟踪对其中一块光栅做微小角度调整时脉冲面倾斜的变化，与理论预测一致。

这对极端光学为何重要

这项研究表明 SIFAST 提供了一种快速、可靠且灵活的单次时空诊断手段，用于监测超短激光脉冲的完整时空结构。对于每次脉冲都弥足珍贵且光束尺寸巨大的巨型拍瓦装置，这类实时诊断工具至关重要。它使操作人员能够发现并校正那些会大幅削弱焦点强度的微小畸变，同时帮助研究者更有把握地解读实验结果。实质上，SIFAST 为科学家提供了对一些迄今为止最极端光闪的清晰三维图景，为更精确、更强大的高场物理实验铺平了道路。

引用: 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

关键词: 超短激光, 拍瓦级激光诊断, 时空脉冲表征, 光谱干涉, 光纤阵列技术