多模光纤中超快脉冲的时空调控：克服色散与模间色散的新方法

本研究针对多模光纤中色散和模间色散导致超短脉冲传输失真的难题，通过设计具有预定义时空结构的脉冲，实现了对多维光态的精确控制。研究人员开发了可编程的时空合成模块，结合多平面光转换技术（MPLC）和傅里叶变换脉冲整形，成功在2米渐变折射率光纤（GIF）中补偿了色散效应。实验证明，该方法可同步调控HG00、HG01和HG10模式的群速度与轨道角动量（OAM），为多模通信、成像和超快光物质相互作用提供了新工具。

　　

在光通信和超快光学领域，多模光纤因其高容量传输潜力备受关注，但色散和模间色散导致脉冲畸变的问题长期制约其发展。当超短脉冲在光纤中传输时，不同波长（色散）和模式（模间色散）以不同速度传播，破坏原始时空关联性。这种效应会显著降低多模成像系统的分辨率、限制光纤激光器的性能，并阻碍轨道角动量（OAM）等多维信息编码的应用。尽管已有研究尝试通过传输矩阵测量或主模控制来补偿单一色散类型，但同步克服两种色散仍属挑战。

为解决这一难题，由Daniel Cruz-Delgado和Rodrigo Amezcua-Correa领导的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地提出通过预先设计脉冲的时空结构来对抗光纤中的双重色散效应。研究人员构建了一个可编程的时空合成系统，将傅里叶变换脉冲整形与多平面光转换（MPLC）技术相结合，成功实现了对超短脉冲所有自由度的精确控制。

关键技术包括：1）二维傅里叶变换脉冲整形器调控光谱成分；2）MPLC系统通过六次全息反射准绝热地重塑空间模式；3）2米渐变折射率光纤（△n=16×10^-3）传输实验；4）频谱分辨层析成像技术解析输出场的时空特性。研究团队还开发了CMY色彩编码系统，用黄（?=-1）、品红（?=0）、青（?=+1）直观显示轨道角动量分布。

实验结果

1. 多模光纤的色散特性表征
   通过单独激发HG₀₀、HG₀₁和HG₁₀模式，测得无涡旋模式（?=0）传播最快，OAM模式（?=±1）延迟达1.15 ps，同时所有模式均呈现正啁啾（色散导致斜率）。

00、HG₀₁、HG₁₀模式时的等强度面；b,d,f为LG模式分解图，颜色纯度表明模式保真度'>

1. 模态色散补偿
   通过预延迟HG₀₁（1.15 ps）和HG₁₀（0.62 ps）模式，使三者在光纤输出端时间重合。时空映射显示均匀的白色区域，证实模式同步到达。

2. 色散-模间色散协同调控
   将HG₀₀模式分配至长波长、HG₀₁至短波长，利用模间色散抵消色散效应，生成单脉冲结构。输出场在长波呈现?=0（品红）、短波呈现?=+1（青）的时空纠缠态。

1. 高阶色散调控
   构建具有三次谱函数的涡旋场（?=-1），输出脉冲呈现抛物线型时空轮廓。三脉冲序列中分别赋予二次、三次函数和无调制，实现群速度与色散的任意排序。

研究意义
该工作建立了多模光纤中时空光场调控的新范式，其核心突破在于：1）首次实现色散与模间色散的同步补偿；2）开发出可编程的时空DOF（自由度）操控平台；3）证实非分离态光场（如波长-模式关联态）的传输可行性。技术指标显示，当前系统可补偿9米光纤的色散，通过级联脉冲整形可进一步扩展。

这项研究为多模光纤通信、内窥成像和超快激光加工提供了关键工具。特别是对生物医学成像，该方法有望减少深层组织成像中的模态串扰；在光纤激光器领域，为高亮度多模光源开发开辟新途径。未来研究可探索时空波包对外界扰动的鲁棒性，进一步发展抗干扰的多维光传输方案。