Pulse-by-pulse programmable synthesis of ultrafast optical waveforms
本文提出了一种可编程的逐脉冲整形器，通过同步 FPGA 驱动的电光调制，实现了在 ~20 MHz 频率下对超快脉冲的确定性光谱-时间控制，从而能够生成复杂的波形，并将脉冲指数相关的相位轮廓映射到非线性光谱呼吸动力学中。
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在现代光科学领域，研究人员长期以来一直寻求雕刻光本身形状的能力。想象一下，一束光不再是稳定的流，而是一系列极短的爆发，每一次爆发仅持续万亿分之一秒的一小部分。几十年来，科学家们能够塑造这些爆发，但只能将相同的设计应用于序列中的每一个，就像在一条长长的纸带上盖上图案一样。目标一直是打破这种限制：将每一次单独的爆发视为一个独特的画布，使其颜色、时序和形状在每一时刻都发生变化，即使这些爆发每秒钟到达数百万次。这种水平的控制至关重要，因为它能让科学家以匹配事件本身速度的精度，去探测最快的化学反应和量子事件，而不是仅仅观察到一个模糊的平均值。
一支研究团队现在制造出了一台实现了这一难以企及目标的机器，将光脉冲的序列号变成了一个可编程的旋钮。他们创建了一个系统，可以每当一个超快光脉冲到达时就重写其属性，运行速率约为每秒 2000 万个脉冲。该设备并非使用对所有脉冲产生相同影响的静态滤波器，而是像一个高速编辑器，在每个脉冲通过时为其分配一条独特的指令。通过将快速电子信号与每个脉冲的到达进行同步，他们可以将光在时间上拉伸，在其上绘制特定的图案，然后将其压缩回原状。这个过程允许他们在每一个脉冲序列中写入不同的“代码”，有效地将脉冲在序列中的位置转化为一种控制光的新方式。
研究人员通过三个不同层级的控制展示了这种能力，每一层级都揭示了操纵光的全新方式。首先，他们展示了可以简单地翻转光的相位——这是一种与波峰和波谷的时序相关的属性——并呈现出二进制模式。这创造了一种光谱干涉效应，类似于光波重叠产生图案的方式，但这种图案在脉冲之间不断移动。其次，他们通过极高的精度对脉冲进行时间上的前后移动进行编程。通过应用特定类型的相位偏移，他们可以让每个脉冲在时间上前后滑动极小的分数秒，从而创造出一种每个脉冲都遵循的平滑且确定性的轨迹。这使得他们能够创造复杂的计时模式，例如一个以阻尼节奏振荡的脉冲串，而无需移动机器中的任何物理部件。
最令人瞩目的演示涉及一种被称为“呼吸”的现象。研究人员对脉冲进行了编程，使其周期性地改变持续时间，即在律动循环中进行拉伸和压缩。当这些经过塑造的脉冲被送入一根特殊的纤维光缆时，玻璃的非线性特性将这种基于时间的“呼吸”转化为了光的光谱颜色的变化。脉冲不再仅仅是在时间维度上变宽或变窄，而是开始在色彩范围内扩张和收缩。团队精确绘制了随着他们增加编程强度，这种“呼吸”是如何变化的。他们发现，在低水平下，光只是作为一个单一的颜色块进行轻微的呼吸。随着控制强度的增加，光谱会分裂成多个不同的峰值，就像一个单音分解成一个和弦。在更高的水平下，这些峰值又会合并回一个单一的、宽阔且剧烈“呼吸”的包络线。
这项工作为思考光控制建立了一种新方式，即脉冲的索引——仅仅是它在序列中的编号——成为了一个可编程的自由度。在传统系统中，像这种“呼吸”或分裂的复杂行为通常源于激光器的内部动力学而自发产生，使其难以预测或按需控制。在这里，研究人员证明了他们可以外部决定这些行为，通过编写特定的指令序列，强制光按照设计的精确方式演化。通过将这种脉冲级控制与非线性光学相结合，他们创建了一个平台，使光的演化可以在每一个脉冲上得到解析和合成。这为实现光学波形的实时、脉冲解析合成开辟了一条道路，为探索自然界中最快的动力学过程提供了一个强大的新工具。
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