時空光波包的光學自由度(如強度、相位、極化和頻率等光參量)在時間和空間維度上以一種緊密耦合的方式存在并相互作用，其持續時間通常在皮秒(Picosecond，10-12s)到飛秒(Femtosecond，10-15 s)量級。由于超快激光在時間上的振蕩頻率遠高于電光調制器的響應速度，直接控制光脈沖的時間維度信號不可行，因此在頻域中進行光譜調制成為一種自然的選擇。通常，首先利用色散元件將超快光脈沖的光譜按空間位置展開，通過空間光調制器件對光譜調制來間接實現對脈沖時域波形的控制。4f脈沖整形器是一種調控超快激光脈沖光譜特性的光學裝置，通常由一對衍射光柵、一對柱透鏡和一個空間光調制器組成，在光學系統中形成一個“4f”結構，如圖1所示。

　　4f脈沖整形的最早應用是基于光譜調制，通過調節超短激光脈沖的頻譜特性進而改變脈沖在時間域上的波形。在20世紀90年代初，Weiner教授提出并推廣了基于4f光學架構的脈沖整形技術，如圖2(a)所示。這一技術迅速成為超快激光脈沖調控的標準方法，進而推動了超快激光技術(如光學頻率梳、光譜成像等)的廣泛應用。

　　圖2 4f脈沖整形器的發展：(a) 傳統一維脈沖時域整形器;(b) 二維純相位脈沖整形器;(c) 二維數字全息脈沖整形器

　　在傳統的脈沖整形裝置中，采用一維的振幅或相位掩模作為頻率平面濾波器，僅調制一維時間頻率分量，而忽略其空間維度。隨著液晶空間光調制器等二維光調制器的成功研發，超快脈沖的時間與空間維度的協同聯合調控成為可能，如圖2(b)。4f脈沖整形技術與二維空間光調制的結合，使光場的空間相位與光譜相位得以緊密耦合，從而實現了光場在空間和時間維度上的相互作用。

　　如圖2(c)所示，將空間數字全息技術與脈沖整形技術進一步結合，形成了二維數字全息脈沖整形器。這種方案不僅能夠實現超快脈沖的二維空間光譜相位調控，還可以進行振幅調控，即實現二維空間-光譜復振幅調制，從而實現時空光波包的任意精確調控和制備。這些調控技術的提出與發展有效促進了時空光波包的多樣性，為時空光波包在多維度上的協同聯合調控奠定了堅實的基礎。

　　圖3 時空調控級聯方案：(a)超表面、微納結構器件;(b) 變換光學;(c) 多平面光轉換器

　　進一步擴展時空調制能力的一個自然思路是將二維脈沖數字全息整形器與成熟的空間調制方案相結合。一方面，可以將其與具有更高調制能力的器件(如超表面、微結構和液晶聚合物器件等)結合，以實現更高分辨率、更寬帶寬和更高效率的時空調制。另一方面，將時空調制設備與空間調制系統級聯，例如基于變換光學的共形變換(Conformal mapping)技術和多平面光轉換(MPLC, Multi Plane Light Conversion)技術等，這種集成能夠提供更復雜的時空雕刻能力，開辟幾乎無限的可能性。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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