JOPT研究路线图：时空结构光场：谱写光的交响曲
文章介绍
Yijie Shen, Qiwen Zhan, Logan G Wright, Demetrios N Christodoulides, Frank W Wise, Alan E Willner, Kai-heng Zou, Zhe Zhao, Miguel A Porras, Andy Chong, Chenhao Wan, Konstantin Y Bliokh, Chen-Ting Liao, Carlos Hernández-García, Margaret Murnane, Murat Yessenov, Ayman F Abouraddy, Liang Jie Wong, Michael Go, Suraj Kumar, Cheng Guo, Shanhui Fan, Nikitas Papasimakis, Nikolay I Zheludev, Lu Chen, Wenqi Zhu, Amit Agrawal, Mickael Mounaix, Nicolas K Fontaine, Joel Carpenter, Spencer W Jolly, Christophe Dorrer, Benjamín Alonso, Ignacio Lopez-Quintas, Miguel López-Ripa, Inigo J Sola, Junyi Huang, Hongliang Zhang, Zhichao Ruan, Ahmed H Dorrah, Federico Capasso and Andrew Forbes
通讯作者：
- 申艺杰，新加坡南洋理工大学
- 詹其文，上海理工大学
研究背景：
具有复杂结构光脉冲的时空雕刻是超高速信息传输和处理以及超强能量集中和提取一直追求的主要目标，它还掌握着开启新的非凡基本物理效应的钥匙。传统上，作为麦克斯韦方程组的解，时空光脉冲通常被视为时空可分离的波包。然而，在过去的十年中，更多广义形式的时空不可分离解开始出现，并因其显著的物理效应而变得越来越重要。该路线图旨在突出日益复杂的时空雕刻脉冲的创建和控制方面的最新进展，从时空可分离到复杂的不可分离状态，具有不同的几何和拓扑结构，以鸟瞰视角对时空光场的发展进行了概述，并对未来的发展趋势和挑战进行了展望。
研究内容：
操纵光的时空结构是人类永恒的目标，这不仅有助于探索基础物理，而且可以满足超快、超强能量或信息提取和存储等应用,这一目标与人类追求更优美、更宏伟的音乐的目标相一致。事实上，电磁波对于光学的重要性就像声波对于音乐一样。因此，乐器演奏的一段音乐类似于时间光脉冲(图1a和图1b)。为了便于作曲，作曲家使用频率谱，即五线谱，来抽象地描述时间音乐(图1c)，这可以看作是傅里叶变换的过程。(音乐播放器对乐谱的转化就是傅里叶逆变换) 同样，在光学中，为了表征啁啾脉冲，我们通常在谱域中测量它以记录脉冲信息(图1d)，而不是直接捕获非常快的时间信号。回顾历史，音乐从古代单一乐器的简单独奏发展到当代由空间分布的乐器以复杂的乐谱记录的复杂交响乐(图1e和图1f)。与此同时，光学的最新进展使研究人员能够在时空上雕刻光结构，并在空间-频率域使用新的光谱技术对其进行相应的表征(图1g和图1h)，开启了现代光学的全新篇章。
图1：a,b，小提琴可以演奏一段音乐作为时间信号(a)，它可以用五线谱上的音符(b)来表征。c,d，光啁啾脉冲(c)的时间演化可以用它在频域(d)的傅里叶谱来表征。e,f，需要一组空间分布的乐器来创作一首复杂的交响曲(e)，其特征是包含乐曲所有部分的完整乐谱(f)。g,h，烟圈状环形结构脉冲(g)的时空演化，其时空频率描述是位于光锥上的复杂分布。
精彩插图：
时空涡旋及其非线性
电磁涡环脉冲的产生
超快时空光结构精密测量
时空光脉冲量子技术
路线图目录：
1. Introduction: composing symphony of light
2. Spatiotemporal mode-locking
3. Spatiotemporally structured light by optical-frequency-comb lines
4. Space-time coupling in ultrafast vortices
5. Spatiotemporal vortices of light
6. Orbital angular momentum of spatiotemporal vortices
7. Femto- and atto-second vortex pulses and their nonlinear conversion
8. Vector space-time wave packets localized in all dimensions
9. Shaping light by shaping free electrons
10.Space-time correlation by nonlocal nanophotonics
11.Toroidal and supertoroidal light pulses
12.Arbitrary space-time wave packet synthesis
13.Arbitrary vector spatiotemporal beamshaping
14.Measuring ultrashort spatiotemporal structures
15.Characterization of complex vector pulses
16.Spatiotemporal differentiators
17.Spatiotemporal light control with metasurfaces
18.Quantum technologies of spatiotemporally structured light
作者介绍
申艺杰 助理教授
新加坡南洋理工大学
- 申艺杰，新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院物理与应用物理系助理教授，英国南安普顿大学光电研究中心高级研究员，清华大学光子测控技术教育部重点实验室、精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室博士。研究方向为结构光操控、光学角动量、量子纠缠、超快非线性光学及纳米光学与超材料。在物理及光学领域知名期刊Nature Photonics, Nature Communications, Light: Science & Applications, Optica, Laser & Photonics Reviews Nanophotonics, ACS Photonics等发表学术论文70余篇，被引用2000余次。
詹其文 教授
上海理工大学
- 詹其文，国家特聘教授。1996年获中国科学技术大学物理学士，2002年获美国明尼苏达大学电子工程博士，同年获得美国五大光学中心之一的代顿大学电子光学系教职，历任助理教授（2002年），终身制副教授（2008年），终身制教授（2012年），创立代顿大学纳米电子光学实验室（Nano Electro-Optics Laboratories），创立并担任美国代顿大学Fraunhofer研究中心主任。现任上海理工大学纳米光子学杰出教授，上海市纳米光子学重点建设创新团队负责人。在Nature Photonics等重要国际学术期刊发表论文200余篇，文章引用超过13000次，单篇最高引用>2800次，研究工作三次入选全球光学年度重大进展（2010，2020， 2022）；两次入选中国光学年度10大进展（2020，2022）。现任PhotoniX副主编、Science Bulletin副主编、中国光学学会理事；由于在光场调控及微纳米光子学领域的开创性工作，分别于2012年和2013年获选国际光电学会（SPIE）Fellow和美国光学学会（OPTICA）Fellow。
期刊介绍
- 2022年影响因子：2.1 Citescore: 4.1
- Journal of Optics（JOPT）出版光学方面的实验和理论研究论文，研究领域包括：纳米光子学和等离激元光子学；超构材料和结构化光子材料；量子光子学；生物光子学；光与物质的相互作用；非线性和超快光学；光的传播、衍射和散射；信息和通信光学；集成光学；光伏和能量收集。除原创性研究外，JOPT还出版专题综述，为研究人员带来高质量的内容。所有JOPT文章还提供HTML阅读模式，方便研究人员使用手机或平板进行阅读。