[论文解读] Space-time wave packets propagating a kilometer in air

Layton A. Hall, Miguel A. Romer+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2022

Orbital Angular Momentum in Optics被引用 5

一句话总结

本论文展示了在开放空气中，利用中心波长为1064 nm、带宽25 nm、脉宽100 fs的脉冲，空间-时间波包（STWPs）实现了约1公里的无衍射传播。与迅速展宽的高斯波包（例如，1公里内展宽至160 mm）不同，STWPs由于其不可导的角向色散，保持了横向宽度——仅从8 mm增加到10 mm——实现了传播不变性，具有在远距离自由空间应用中的潜力。

ABSTRACT

We report on the diffraction-free propagation of space-time wave packets (STWPs) -- a class of propagation-invariant pulsed beams -- for $\sim\!1$ km in an open-air laser range in a low-turbulence scenario. Making use of $\approx\!100$-fs pulses (bandwidth $\sim\!25$ nm) at a wavelength of $\approx\!1$ $μ$m, we construct an STWP with a transverse width of $\approx\!2$ mm that expands to $\approx\!3$ mm after $\sim\!500$ m, and another that expands from $\approx\!8$ mm to $\approx\!10$ mm after 1 km. The propagation of the STWPs is compared to Gaussian wave packets of the same transverse spatial width and bandwidth. We establish a theoretical model that accounts for the significant factors limiting the STWP propagation distance and suggests the path to further extending this distance.

研究动机与目标

• 在开放大气条件下实现空间-时间波包（STWPs）的公里级传播。
• 将STWPs的横向光束展宽与具有相同带宽和初始宽度的传统高斯波包进行比较。
• 建立并验证解释STWP传播距离物理极限的理论模型。
• 识别将STWP传播距离扩展至10公里以上所需的关键实验参数。
• 证明STWPs在远距离自由空间光通信和传感中的可行性。

提出的方法

• 作者使用光谱相位调制器对宽带脉冲序列施加不可导的角向色散，合成STWPs。
• 在1064 nm波长下生成STWPs，带宽为25 nm，脉宽为100 fs，形成横向宽度为2 mm和8 mm的光束。
• 采用4×放大系统并配备校正透镜，以最小化球面像差，实现约0.03 mrad的发散角。
• 光束通过窗口发射至肯尼迪航天中心附近的开放激光测距场（TISTEF），并实时监测大气湍流。
• 使用中心波长为1064 nm、带宽20 nm的滤光片，通过CCD相机在实验室和移动车辆上捕获距离达1公里的光束剖面。
• 理论建模考虑了光谱带宽（Δλ）、角向色散不可导性（δλ）和孔径尺寸（WA），以预测传播极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在开放大气条件下，空间-时间波包（STWPs）能否在1公里距离内保持其横向宽度？
• RQ2 STWPs的光束展宽与具有相同初始空间和时间带宽的高斯波包相比如何？
• RQ3 在真实环境中，限制STWPs最大传播距离的主要物理因素是什么？
• RQ4 通过优化光谱带宽和孔径尺寸，STWP传播距离可延长至何种程度？
• RQ5 在低湍流大气条件下，STWPs能否在长距离上保持其传播不变性？

主要发现

• 初始横向宽度为2 mm的STWP在500 m处仅展宽至3 mm，而相同初始宽度的高斯波包在同一距离内展宽至约400 mm。
• 初始宽度为8 mm的STWP在1 km处展宽至10 mm，而对应的高斯波包展宽至约160 mm。
• 在1 km处，高斯波包的光束宽度扩大了约20倍，而STWP的展宽显著减少，表明其衍射效应极低。
• 实测的折射率结构参数为 Cₙ² ≈ 10⁻¹⁴ m⁻²/³，表明实验期间大气湍流效应可忽略不计。
• 理论建模预测，通过减小δλ（即增大孔径尺寸WA），可将最大传播距离扩展至10公里量级。
• 结果证实，不可导的角向色散是STWP传播不变性的关键，使其与传统倾斜脉冲前沿区分开来。