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(xù)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(diào)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(diào)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(diào)制器件對光譜調(diào)制來間接實現(xiàn)對脈沖時域波形的控制。4f脈沖整形器是一種調(diào)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(diào)制器組成，在光學系統(tǒng)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(diào)制，通過調(diào)節(jié)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(diào)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(fā)展：(a) 傳統(tǒng)一維脈沖時域整形器;(b) 二維純相位脈沖整形器;(c) 二維數(shù)字全息脈沖整形器

　　在傳統(tǒng)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(diào)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(diào)制器等二維光調(diào)制器的成功研發(fā)，超快脈沖的時間與空間維度的協(xié)同聯(lián)合調(diào)控成為可能，如圖2(b)。4f脈沖整形技術與二維空間光調(diào)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(xiàn)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(shù)字全息技術與脈沖整形技術進一步結合，形成了二維數(shù)字全息脈沖整形器。這種方案不僅能夠實現(xiàn)超快脈沖的二維空間光譜相位調(diào)控，還可以進行振幅調(diào)控，即實現(xiàn)二維空間-光譜復振幅調(diào)制，從而實現(xiàn)時空光波包的任意精確調(diào)控和制備。這些調(diào)控技術的提出與發(fā)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(xié)同聯(lián)合調(diào)控奠定了堅實的基礎。

　　圖3 時空調(diào)控級聯(lián)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(diào)制能力的一個自然思路是將二維脈沖數(shù)字全息整形器與成熟的空間調(diào)制方案相結合。一方面，可以將其與具有更高調(diào)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(xiàn)更高分辨率、更寬帶寬和更高效率的時空調(diào)制。另一方面，將時空調(diào)制設備與空間調(diào)制系統(tǒng)級聯(lián)，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(wǎng)

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