色散介质中传播不变的时空波包激光束

     近日，光学顶尖学术期刊《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews, IF=13.138，在99个光学期刊中排名第4， Journal Citation Reports 2020年数据）刊登了肖孟教授在时空结构光方面的最新成果。论文题为“Nondispersive Space-Time Wave Packets Propagating in Dispersive Media”，论文第一作者是武汉大学弘毅学堂本科生何灏，通讯作者为斯坦福大学电气工程系郭诚同学和肖孟教授。

    色散是介质材料对光响应中普遍存在的现象，材料内禀的色散属性对许多光学相关的应用都有着不利的影响。其中最典型的就是由材料群速度色散(group velocity dispersion)引起的脉冲展宽，这为光学通信的带宽范围附加了极大的限制。目前常用的抵消色散影响的方法都依赖于独特设计的补偿元件，如色散补偿光纤(dispersion compensation fibers)和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating)，但是这些补偿色散的方法通常也都伴随着较高的插入损耗和有限的工作波长范围。

    在该工作中，研究小组提出了一种无需额外的补偿元件便可克服材料色散带来的脉冲展宽的新思路，并且这种方法可以在具有任意形式色散的介质中对任意波长范围的脉冲信号都保持有效。光波的电磁场分量是受波动方程约束的含有4个变量（3个空间坐标和1个时间坐标）的函数，本项研究发现，通过额外引入一个时间自由度与空间自由度之间的关联，光波的横向衍射和纵向展宽可以相互抵消，从而实现在任意的色散介质中保持波形不变地传播。在此基础上，该工作还发现了这种传播不变的脉冲在色散介质间发生折射时的新规律，对之前无色散情况下的折射定律做出了修正，目前该规律已经得到了实验验证。

图 1：a-c真空与色散介质中的光锥面。d：色散介质中高斯波包发生展宽而时空波包激光束保持波形不变。e-h高斯波包的频谱与信号分布。i-l时空波包激光束的频谱和信号分布。

图表2：时空波包激光束的新型折射定律

     该工作拓宽了时空波包激光束的应用场景，有助于进一步探索这种性质优良的时空激光的潜在应用方向。同时，这项工作证明了这种时空波包激光束并不受具体的色散关系约束，这指向了时空耦合在更一般的波动体系中的可能性，为进一步研究时空关系在波动体系中的理论本质提供了一个新的理论框架。

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     全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100634