论文基本信息
标题：
Experimental demonstration of spatiotemporal analog computation in ultrafast optics
作者：
Junyi Huang（浙江大学物理学院）；
Dong Zhao（中国科学技术大学光学与光学工程系）；
Jixuan Shi（中国科学技术大学光学与光学工程系）；
Hongliang Zhang（浙江大学物理学院）；
Hengyi Wang（中国科学技术大学光学与光学工程系）；
Fang-Wen Sun（中国科学技术大学光学与光学工程系）；
Qiwen Zhan（上海理工大学光电与计算机工程学院）；
Shiyao Zhu（浙江大学物理学院）；
通讯作者： Kun Huang（中国科学技术大学光学与光学工程系）；
通讯作者： 阮智超（浙江大学物理学院）；
发表时间：
2026年1月22日（其中2025年05月14日投稿，2025年10月16日返修，2025年10月26日接收）
发表期刊：
Light: Science & Applications（JCR-Q1，IF=23.4）
论文重要图文
摘要：
对单个超快光脉冲在皮秒乃至飞秒时间尺度内直接进行信息处理与计算通常被认为难以实现，现有电子学难以匹配这种极端时间分辨率，而传统光学信号处理多聚焦于空间域，难以在同一器件中把“空间变化”和“时间变化”同时以模拟计算的方式并行提取；针对这一研究空缺，【浙江大学/中国科学技术大学】团队提出了一个用于超快光学的时空模拟微分器件——镜像对称性破缺的介质超表面光栅，其传递函数被设计为同时对横向空间波矢与时间频率呈线性依赖，从而能够对单个超快光学波包同时执行空间一阶微分与时间一阶微分，并通过双次曝光电子束光刻工艺完成器件制备与实验验证；直观地说，这相当于把“求导算子”固化进一片纳米结构中，让入射超快波包穿过后，输出波包的包络就像对原始波包在空间与时间两个方向同时做了“边缘增强/变化提取”，并且由于空间与时间两部分贡献之间存在非同相延迟，还会在时空域产生相位奇点等特征；论文在实验中实现了一阶时空微分，给出的实验分辨率约为14 μm（空间）与260 fs（时间），并进一步报告前倾（front-tilted）光子波包的横向速度与其一阶时空微分波包的归一化强度之间存在抛物关系，可据此仅通过归一化强度实现横向速度的直接测量与简化检测流程。该成果以 Experimental demonstration of spatiotemporal analog computation in ultrafast optics 为题，于2026年1月22日发表于《Light: Science & Applications》。
重要图片：
图1. 用于单个超快波包的光学时空微分器
a 所设计的超表面光栅对入射波包进行一阶时空微分计算，对于任意包络为Sin(x,t)的输入波包，透射波包包络满足Stran(x,t)= iCx·∂Sin/∂x + iCt·∂Sin/∂t。本文以入射前倾光子波包为代表性示例，展示该时空微分器可对单个超快光学波包同时执行空间与时间微分的模拟计算。并给出晶胞截面示意与扫描电子显微镜图像。
b 在不同波长与空间频率下，传递函数H的幅度仿真与测量结果。
c 沿kx=0与Ω=0截线方向，对传递函数幅度的仿真与实验对比。
图2.利用超构透镜生成入射前倾波包
a 用于生成前倾波包的已制备超构透镜的显微镜图像。右下插图为带有几何相位的超构透镜局部放大显微图像。厚度为760 nm的非晶硅薄膜位于蓝宝石基底上。该硅纳米砖可作为微型半波片，将入射圆偏振转换为正交圆偏振，并叠加两倍旋转角θ的额外相位调制。
b 由样品2的超构透镜生成的前倾波包的干涉条纹测量结果（上）及其恢复的相对强度分布（下）。标号表示时间序列，可在(d)中对应。伪彩色分别表示测得条纹（上色标）与恢复轮廓（下色标）的归一化强度。
c–e 不同色散工程超构透镜生成的入射波包的等强度轮廓：样品1（c）、样品2（d）与样品3（e）。伪彩色表示三种情况的归一化强度。
f 测得强度分布的时间依赖质心。
g 三个样品的横向速度：设计值（柱）与测量值（三角形）。
图3.采用超表面光栅实现时空微分的实验结果
a 当入射波包由样品2生成时，透射波包的干涉条纹测量结果（上）与恢复的相对强度分布（下）。标号表示时间序列，可在(c)中对应。伪彩色分别表示测得条纹（上色标）与恢复轮廓（下色标）的归一化强度。
b – d 当图2(c)–(e)中的入射波包分别通过超表面光栅时，对应透射波包的等强度轮廓。各透射波包强度已按其各自入射波包峰值强度归一化。伪彩色表示三种情况的归一化强度。
e 沿空间方向的强度剖面与 f 沿时间方向的强度剖面。两者均用加权高斯函数叠加进行拟合（黑色实线）。每个峰的半高全宽（FWHM）可用于评估微分的空间分辨率Δx与时间分辨率Δt。
g 不同样品的空间（左）与时间（右）分辨率测量结果，这些数据直接由(e)、(f)的强度剖面得到。
图4. 透射波包中的时空相位奇点
a – c 当不同样品生成的入射波包通过超表面光栅后，图3(b)–(d)对应的透射波包的相位与强度分布。为便于观察时空相位奇点，插图给出了白色虚线框内的纯相位分布。
图5. 通过时空微分测量横向移动速度
a 对空间坐标积分后的时间依赖强度剖面：入射波包（空心三角形）与经时空微分后的波包（红色实心三角形）。
b 测得（菱形）与预测（曲线）的抛物关系：归一化峰值强度（对应(a)中的t=0）与横向移动速度之间的关系。
参考文献
Huang, J., Zhao, D., Shi, J. et al. Experimental demonstration of spatiotemporal analog computation in ultrafast optics. Light Sci Appl 15, 77 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02109-0
