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本刊推荐：研究人员针对传统场镜技术依赖载波包络相位稳定脉冲、难以探测单光子量子态的问题，开展了基于广义外差光学采样技术(GHOST)的场镜研究。该研究实现了低至876 yJ(10-24J)的灵敏度，动态范围超过90 dB，首次在单光子态下观测到电场并揭示了脉冲内相干性变化规律，为量子信息处理和精密测量开辟了新途径。
在量子光学和精密测量领域，科学家们一直梦想着能够直接观测光的电场振荡，就像用高速摄像机记录水波一样。这种被称为"场镜术(fieldoscopy)"的技术，可以让人们以阿秒(10-18秒)精度研究光与物质的相互作用，甚至窥探化学键的形成与断裂过程。然而，这一愿景面临着巨大挑战：传统场镜技术需要复杂的载波包络相位(CEP)稳定激光系统，且探测灵敏度有限，难以进入量子效应占主导的单光子区域。
光的相干性(coherence)是区分激光与普通光源的关键特性，它描述了光波在时间和空间上的相位关系。正如诺贝尔奖获得者Glauber所指出的，相干性直接关联着光的量子本质——光子统计特性。在强激光脉冲中，电场强度随时间变化，导致脉冲不同位置的相干性可能不同，这种"脉冲内相干性(intrapulse coherence)"现象一直难以直接测量。传统光谱学方法只能获得时间平均的结果，无法解析亚周期尺度的相干性变化。
为了解决这些难题，研究人员在《Light-Science & Applications》上发表了一项突破性研究。他们开发了一种新型场镜技术，无需CEP稳定脉冲就能直接测量光电场，灵敏度达到了前所未有的876 yoctojoules(10-24J)，相当于每个光学周期仅20 yJ的能量。这一灵敏度意味着他们能够探测到平均光子数小于1的弱相干态，其中99.55%的脉冲处于真空态，其余0.45%的脉冲中有99.78%处于单光子态。
关键技术方法包括：采用广义外差光学采样技术(GHOST)，通过平衡的二次谐波/和频产生(SHG/SFG)通道实现电场探测；使用商用Yb基锁模激光器(Pharos，Light Conversion)产生150 fs、75 MHz重复频率的脉冲；通过α-石英非线性晶体进行频率转换；利用锁相放大器进行信号提取。研究团队还建立了蒙特卡洛模型模拟光子统计行为，通过改变测试脉冲能量系统研究从经典到量子区域的过渡。
实验结果
实验概念验证
研究团队首先验证了平衡探测(m=n=2)方案的有效性。与需要CEP稳定的传统方案不同，该方法利用采样脉冲和测试脉冲源自同一激光器的特性，使CEP波动相互抵消。实验结果表明，无论是否开启CEP稳定装置，测量得到的电场轨迹完全一致，证实了该方法对CEP波动的不敏感性。同时，通过熔融石英楔片引入微小相位变化时，测量系统能够清晰捕捉到测试脉冲CEP的改变，证明了其对电场相位的高度敏感性。
强相干态的场镜测量
使用商用台式锁模激光器，研究人员成功测量了脉冲能量高达皮焦(pJ)量级的强相干态光电场。信号强度与测试电场呈线性关系，标准偏差也随场强线性增加，符合经典电磁理论预期。这一线性区域被定义为"经典区域"，其中测量噪声主要来源于实验系统的经典噪声而非量子涨落。
弱相干态的量子区域突破
当脉冲能量降低至zeptojoule(zJ)量级(平均光子数接近1)时，实验观测到明显的经典区域破裂。信号强度与电场的关系呈现非线性特征，标准偏差的变化规律也偏离经典预期。在平均光子数为1附近，标准偏差本应出现峰值(泊松统计的特征)，但实验数据显示该特征明显减弱，表明光场状态偏离理想的相干态。
光子统计特性分析
通过蒙特卡洛模拟对比泊松分布和玻色-爱因斯坦分布，研究发现实验数据介于两者之间。弱场区域(脉冲边缘)更接近泊松分布，表现出较好的相干性；而强场区域(脉冲中心)则显示出向热光统计的偏移，表明存在强度相关的退相干机制。这种脉冲内相干性变化传统测量方法难以捕捉，而电场直接探测提供了研究这一现象的新途径。
脉冲内相干性
通过Gabor时频分析技术，研究人员首次揭示了锁模激光脉冲内部不同时间点的相干性差异。脉冲中心高强度区域显示出明显的退相干特征，而脉冲边缘低强度区域则保持较好的相干性。这种时空变化的相干性分布为理解锁模激光器的量子噪声特性提供了新视角，可能源于激光介质中的弹性退相过程或非线性耦合效应。
研究结论与意义
这项研究将场镜技术成功扩展至量子区域，实现了从经典光场到单光子水平的无缝探测，动态范围超过90 dB。研究不仅验证了无CEP稳定场镜技术的可行性，更重要的是提供了研究光量子特性的新范式。通过直接测量光电场，研究人员能够以亚周期分辨率分析光子统计特性，揭示了过去无法观测的脉冲内相干性变化规律。
该技术的实用化意义重大：首先，它使场镜测量从复杂的大型激光装置走向普通实验室，大幅降低了研究门槛；其次，为量子密码学中的单光子源特性分析提供了新工具；再者，为量子计量学开辟了新途径，有望实现超越标准量子极限的精密测量。未来，这一技术可能应用于量子纠缠态、压缩真空态等非经典光场的直接测量，推动量子信息技术向更高精度发展。
从基础科学角度看，这项工作架起了超快光学与量子光学之间的桥梁，使研究人员能够在最根本的层次上探索光与物质的量子相互作用。正如作者所言，这种"量子光波电子学"的新范式，不仅将推动技术应用进步，更将为检验量子光学基本原理提供前所未有的实验平台。
