近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在超快涡旋脉冲时空域测量研究方面取得进展。研究团队报道了一种新型的自参考时空域测量技术，实现了对拓扑荷数|l| = 1，2，3的超快涡旋脉冲全电场时空域测量。相关研究成果以“Self-Referencing 3D Characterization of Ultrafast Optical-Vortex Beams Using Tilted Interference TERMITES Technique”为题发表于Laser & Photonics Reviews，并被选为内封面文章。

携带轨道角动量的涡旋光束具有独特的强度分布和相位结构，获得了光学领域的广泛关注。尤其是具有高峰值功率与超快时间特性的超快涡旋光场，在非线性光学、光与物质相互作用研究中具有重要应用，也为非线性频率转换、激光微加工和强场物理等领域提供新的激光条件。因此，探究超快涡旋光的时空三维特性，发展超快涡旋光的测量和表征方法具有一定的学术价值和实际意义。传统的超快涡旋光时空域测量方法依赖于参考光的使用，这在很大程度上限制了实际应用。

针对这一问题，团队基于传统的TERMITES时空域测量技术，开发了一种新型的迈克尔逊干涉仪结构的时空域测量装置。通过在参与干涉的两路光之间产生微小夹角(图1a)，相位奇点的信息能够被呈现在干涉图上（图1c），从而获得完整的空域信息。为了实现单次扫描完成全电场测量，实验装置集成了采样式的FROG结构，以实现时域测量。由于时域测量中两路光的强度差较大，研究人员采用了晶体的第二类相位匹配方式以提高信噪比。通过在延时路（图1a中的绿色光束）中插入一块双折射石英晶体，使原有的线偏光变成具有一定延时和强度差异的正交偏振光（图1b）。这样既保证了强度较大的偏振光可以与图1a中的粉色光束发生干涉，获得用于空域测量的干涉图，同时也降低了时域测量中非线性和频时两路光的强度差异。利用该测量装置，团队成功实现了拓扑荷数为1、2、3的超快涡旋光时空域测量（图2）。

该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项B类、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、中国博后科学基金、张江实验室建设与运行项目、上海市科技创新行动计划原创探索项目、国家青年高层次人才项目的支持。

图1 (a) 实验装置示意图，(b) 空域测量和时域测量过程中各个光束的偏振方向，(c) 倾斜剪切干涉图和FROG采样位置。

图2 不同拓扑荷数的超快涡旋脉冲时空域测量 (a) l = -1，(b) l = 2，(c) l = 3。