UCF团队开发出世界上第一台光学示波器

诸平

 UCF Physics Associate Professor Michael Chini worked on the world's first optical oscilloscope. Credit: University of Central Florida

据美国中弗罗里达大学（University of Central Florida简称UCF）网站2021年12月13日报道，中弗罗里达大学（UCF）的研究人员开发出了世界上第一台光学示波器（UCF Team develops the world's first optical oscilloscope）。这是一种能够测量光的电场的仪器。该设备将光的振荡转换成电信号，就像医院的监控器将病人的心跳转换成电振荡一样。

迄今为止，由于光波振荡（light waves oscillates）的速度非常快（ high speeds），因此读取光的电场（electric field of light）一直是一项挑战。为我们的电话和互联网通信提供动力的最先进的技术，目前可以记录高达千兆赫频率（gigahertz frequencies）的电场，覆盖电磁波谱的无线电频率和微波区。光波以更高的速率振荡，从而允许更高密度的信息被传输。然而，目前测量光场的工具只能解决与光“脉冲”相关的平均信号，而不能解决脉冲中的峰值和低谷。测量单个脉冲的峰值和低谷非常重要，因为正是在这个空间中，信息才能被打包和传递。

UCF从事这项研究的物理学副教授迈克尔·奇尼(Michael Chini)说：“光纤通信利用光使事情变得更快，但我们在功能上仍然受到示波器速度的限制。而我们的光学示波器可以将速度提高约1万倍。”

相关研究结果于2021年12月13日已经在《自然光子学》（Nature Photonics）杂志网站发表——Yangyang Liu, John E. Beetar, Jonathan Nesper, Shima Gholam-Mirzaei,  Michael Chini. Single-shot measurement of few-cycle optical waveforms on a chip. Nature Photonics, Published: 13 December 2021. DOI: 10.1038/s41566-021-00924-6. http://dx.doi.org/10.1038/s41566-021-00924-6

该团队开发了该设备，并在UCF的Michael Chini实验室展示了其实时测量单个激光脉冲电场的能力。该团队的下一步是看看他们能在多大程度上突破这项技术的速度极限。

论文的第一作者是UCF的博士后学者刘阳阳（Yangyang Liu音译），其他作者包括获得了数学学士学位和物理学硕士学位的Jonathan Nesper，还有Shima Gholam-Mirzaei博士和John E. Beetar博士。Shima Gholam-Mirzaei现在是加拿大国家研究委员会（National Research Council of Canada）和渥太华大学联合阿秒科学实验室（Joint Attosecond Science Laboratory）的博士后研究员，而John E. Beetar正在加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）完成博士后研究。

单发波形测量方案（single-shot waveform measurement scheme）的想法是由Michael Chini提出的，他并指导了该研究团队。而实验工作则由刘洋洋领导，并执行了大部分的测量和模拟。John E. Beetar协助测量了载波包络的相位相关性。Jonathan Nesper和Shima Gholam-Mirzaei协助搭建实验装置并收集数据。所有作者都参与了数据分析并撰写论文的工作。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Imaging light waveforms in air plasma

Abstract

The measurement of transient optical fields has proven critical to understanding the dynamical mechanisms underlying ultrafast physical and chemical phenomena, and is key to realizing higher speeds in electronics and telecommunications. However, complete characterization of optical waveforms requires an ‘optical oscilloscope’ capable of resolving the electric-field oscillations with sub-femtosecond resolution and with single-shot operation. Here we show that strong-field nonlinear excitation of photocurrents in a silicon-based image sensor chip can provide the sub-cycle optical gate necessary to characterize carrier-envelope phase-stable optical waveforms in the mid-infrared. By mapping the temporal delay between an intense excitation and weak perturbing pulse onto a transverse spatial coordinate of the image sensor, we show that the technique allows single-shot measurement of few-cycle waveforms.