近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室朱健强研究员团队，在多模激光器的模场三维时空演变研究中取得了新进展。团队研究了激光横模与纵模的时空耦合物理机制，构建了多模激光器的三维时空多模式构造模型，深入研究了时空多模的时空相互影响规律，实现了对光场传输过程中任意空间位置和时间切片上时空演变过程的定量描述。相关成果以“3D Spatiotemporal Evolution of the Mode Field in Multimode Lasers”为题发表于Laser & Photonics Reviews。
多模激光器在工业、医学成像等领域展现出广阔的应用前景，建立多模激光器完整的三维表征方法体系，实现其光场的全域解析，是推动该领域发展的关键所在。
针对上诉问题，研究团队通过精确的三维模拟运算，实现了不同横纵模数量下的三维时空光场分布图，如图1所示。研究表明，时空多模光场三维分布呈现显著的时空散粒特征，时空散粒的体积特性由横纵模数的协同作用共同决定，纵模数直接影响光场的时间相干长度，横模数决定了空间颗粒度大小；横纵模的联合作用共同决定了时空相干性，进而影响三维时空分布中时空散粒的体积大小。横模占比与空间相干性之间存在的明确关系，这为通过调控横模分布实现空间相干性的精确控制提供了理论依据；根据时间相干性对瞬时空间散斑光强分布的影响机制（如图2所示），当时间延迟达到若干倍相干时间时，可获得两幅毫不关联的瞬时空间散斑图像，这一特性在干涉计量领域等具有重要的应用价值；时间积分下二维光场分布的RMS变化速率与相干时间倍数直接相关，而横模阶数对其最终的RMS影响相对有限，这一发现深化了对散斑图积分效应本质的理解，更为优化成像源的时空特性和提升成像精度提供了更加全面和深入的理论指导。该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项的支持。
图1.三维时空光场分布图。（a）部分相干光；（b）空间不相干时间相干光；（c）空间相干时间不相干光；（d）时空相干光。TN表示横模数量，LN表示纵模数量。
图2. 不同时间积分二维光场分布的RMS变化曲线图。（a）RMS随时间积分的结果；(b) RMS随归一化相干时间的变化。
