圖1.三維時空光場分布圖。(a)部分相干光;(b)空間不相干時間相干光;(c)空間相干時間不相干光;(d)時空相干光。TN表示橫模數(shù)量，LN表示縱模數(shù)量。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室朱健強研究員團隊，在多模激光器的模場三維時空演變研究中取得了新進展。團隊研究了激光橫模與縱模的時空耦合物理機制，構(gòu)建了多模激光器的三維時空多模式構(gòu)造模型，深入研究了時空多模的時空相互影響規(guī)律，實現(xiàn)了對光場傳輸過程中任意空間位置和時間切片上時空演變過程的定量描述。相關(guān)成果以“3D Spatiotemporal Evolution of the Mode Field in Multimode Lasers”為題發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。

多模激光器在工業(yè)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，建立多模激光器完整的三維表征方法體系，實現(xiàn)其光場的全域解析，是推動該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵所在。

圖2. 不同時間積分二維光場分布的RMS變化曲線圖。(a)RMS隨時間積分的結(jié)果;(b) RMS隨歸一化相干時間的變化。

針對上訴問題，研究團隊通過精確的三維模擬運算，實現(xiàn)了不同橫縱模數(shù)量下的三維時空光場分布圖，如圖1所示。研究表明，時空多模光場三維分布呈現(xiàn)顯著的時空散粒特征，時空散粒的體積特性由橫縱模數(shù)的協(xié)同作用共同決定，縱模數(shù)直接影響光場的時間相干長度，橫模數(shù)決定了空間顆粒度大小;橫縱模的聯(lián)合作用共同決定了時空相干性，進而影響三維時空分布中時空散粒的體積大小。橫模占比與空間相干性之間存在的明確關(guān)系，這為通過調(diào)控橫模分布實現(xiàn)空間相干性的精確控制提供了理論依據(jù);根據(jù)時間相干性對瞬時空間散斑光強分布的影響機制(如圖2所示)，當(dāng)時間延遲達到若干倍相干時間時，可獲得兩幅毫不關(guān)聯(lián)的瞬時空間散斑圖像，這一特性在干涉計量領(lǐng)域等具有重要的應(yīng)用價值;時間積分下二維光場分布的RMS變化速率與相干時間倍數(shù)直接相關(guān)，而橫模階數(shù)對其最終的RMS影響相對有限，這一發(fā)現(xiàn)深化了對散斑圖積分效應(yīng)本質(zhì)的理解，更為優(yōu)化成像源的時空特性和提升成像精度提供了更加全面和深入的理論指導(dǎo)。該項研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持。

審核編輯 黃宇