近日，南京大学陆延青教授、陈伟助理教授研究组联合新加坡国立大学仇成伟教授研究组，首次提出二维时空对偶理论框架，成功实现高保真、任意结构的时空光束精准调控与时空全息成像。研究组创新性地开发出一种时空复振幅调制技术，突破了当前光场时空调控技术的局限，使得生成的复杂时空模式保真度超过97%。这一成果不仅揭示了时空结构光束与传统空间结构光之间的深层内在联系，而且为光场调控技术的发展提供了新思路和新方法。相关成果以“Tailoring spatiotemporal wavepackets via two-dimensional space-time duality”为题于2025年3月21日发表在Nature Communications期刊上。
南京大学陈伟助理教授和博士研究生于安卓为该论文的共同第一作者，马玲玲助理教授、仇成伟教授和陆延青教授为论文通讯作者。新加坡国立大学博士研究生周舟，南京大学博士研究生王泽宇、杨嘉辰对本文亦有重要贡献。本工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，并得到人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。
自牛顿提出绝对时空以来，到爱因斯坦相对论带来的颠覆性变革，时空的概念始终在不断演进，并持续推动着物理学理论的革新。在光学领域，超短脉冲色散与近轴衍射之间的类比研究（即Kolner等人发展的一维时空对偶理论）揭示了光在独立的空间与时间维度中波动行为的数学同构性，但如何在同一体系内实现时空维度的有机融合依旧是一个重大挑战。最近，通过将时间维度引入光场空间调控，二维时空光束构建了一套突破传统空间结构光的新体系，其独特的物理性质——如具有任意群速度与反常折射特性的时空光弹，以及携带横向轨道角动量的时空光学涡旋等——为探索光的基本性质及光与物质相互作用提供了全新途径。然而，尽管目前已实现二维时空光束的精密调控，建立统一理论框架以系统解析时空光束生成与演化规律仍然是该领域亟待突破的瓶颈。
1.理论突破：构建二维时空对偶的统一理论框架
图1 从一维时空对偶到二维时空对偶
传统一维时空对偶性揭示了光的空间衍射与时间色散在数学上的等价性——虽然两者对应不同的物理过程，但它们传播方程中相似的相位因子都刻画了空间与时间频率分量的相位累积，本质上共享同一类波动方程（图1a-1b）。本研究首次提出了“二维时空对偶”的理论框架，从数学上揭示了空间衍射效应与时间色散效应在二维体系中的统一关系。譬如，在特定反常色散条件下，时空高斯波包与空间高斯光束的传播规律严格类似（图1c-1d）。具体来说，当色散满足二维时空对偶对称性条件时，时空高斯波包与空间高斯光束在20倍瑞利距离内的传播相似度保持100%（图1d红色曲线所示）；而当色散条件偏离该条件时，对称性破缺导致两者传播行为表现出显著差异（非红色其他曲线）。这种统一性意味着，以往在空间维度实现的复杂结构光现象，如贝塞尔涡旋、高阶拉盖尔-高斯涡旋、多模态“花瓣”结构和艾里波包等，现在均可推广至时空域，这为对超短脉冲的精细调控提供了前所未有的可能性。
2.技术创新：一步式实现超短脉冲的时空复振幅精准调控
在上述理论体系基础上，该工作进一步提出了时空复振幅调制技术，实现了对超短脉冲在时空域内振幅和相位的联合精准控制。利用纯相位调制器件，研究组成功实现了一步式、超高保真的复杂时空光场合成。具体而言，先利用衍射光栅将入射脉冲映射至时空频域（
平面），通过高精度纯相位调制器件加载全息编码图案，从而直接调控时空频谱的复振幅分布，最终再通过逆时间傅里叶变换重构出目标时空光场。图2中以自由空间中的时空艾里波包作为示例，所产生的时空艾里波包在实验中展现出经典的自加速特性：其在空间维度上沿抛物线轨迹实现无衍射传播，而在时间维度上则由于破缺了时空对偶对称性而保持静止，与理论预测一致。这一方法可以实现单步骤、高保真的时空光束合成，为按需设计复杂光场提供了全新的技术范式。
图2 时空复振幅调制策略
3.实验验证：多模态时空结构光的高保真生成与验证
进一步的实验表明，所提出的时空复振幅调制策略在不同类型时空光场生成中均取得了显著突破。针对时空贝塞尔涡旋，该技术将保真度提升至97.5%，较之前报道的调制方法提高近3倍，有效解决了高阶涡旋生成过程中普遍出现的相位畸变与强度分布不均匀等问题（图3a）。除高阶时空贝塞尔涡旋外，该策略还实现了多种新型时空光场的精准合成，显著拓宽了时空结构光的“家族多样性”：首次合成出超高保真度的高阶时空拉盖尔-高斯涡旋（图3b），突破了传统技术仅支持低阶单一模式的限制；通过叠加不同拓扑电荷的时空拉盖尔-高斯涡旋，成功构造出时空“花瓣”光场，其强度分布在时空平面上呈现旋转对称结构。根据时空二维对偶原理，还验证了时空厄米-高斯、时空因斯-高斯以及时空马丢-高斯波包（图3c-e），这些时空光场在笛卡尔与椭圆坐标系下各自展现出独特的分布和传播特性。
图3 时空结构光“家族”。（a）时空贝塞尔涡旋;（b）时空拉盖尔-高斯涡旋;（c）时空厄米-高斯波包;（d）时空因斯-高斯波包;（e）时空马丢-高斯波包
4.应用展示：高保真复杂时空全息成像及重构
在应用层面，所提出的复振幅调制方案在时空全息领域亦展现出显著优势，可以实现复杂时空全息图案的高保真生成与再现。例如，编码的字母与数字在时空平面上清晰呈现，边缘锐利且对比度高；镂空汉字“南京大学”与“薛定谔的猫”的复杂结构也得以精确还原，暗背景区域几乎无杂散光干扰（图4）。尤为突出的是，首次完成了人物肖像（如居里夫人与爱因斯坦）的时空全息生成与重建，其明暗层次与细节特征均与目标图像高度吻合。通过结构相似性指数（SSIM）评估，理论值接近1，实测值介于0.36至0.58之间（实测振幅保真度达85%至94%，接近理论值），证明了该技术在实现复杂光场高保真调控方面的优异能力。
图4 高保真时空全息
本研究提出的“二维时空对偶”理论框架首次实现了空间结构光与时空光束传播规律的统一，不仅进一步揭示了光场时空维度耦合的物理本质，还建立了时空光束与空间光束间的严格对应关系，为新型时空光场的设计与发现奠定了坚实基础；同时，借助以往学界对空间结构光的广泛研究成果，时空光束领域的发展将获得更大推动。未来，二维时空对偶理论有望进一步应用于非近轴区域，探索横向自旋、巨自旋霍尔效应等新奇物理现象；通过结合超表面、几何相位元件等技术，还可能实现从飞秒脉冲到纳米尺度时空高维光场的精准操控。此外，该理论框架的普适性使其在声波、电子波等其他波动体系中同样具备应用潜力，为跨学科研究构建通用理论与技术平台提供可能。
此前，陆延青教授研究组与合作者在光场时空调控领域已取得了一系列成果，如实现拓扑荷达100的超高阶时空贝塞尔涡旋及其时空衍射行为的定量分析（Nat. Comm. 13, 4021 (2022)）、从理论上提出“光子海螺”新型时空光场并实验观察到其几何手性相关动力学（Phy. Rev. Lett. 132, 153801 (2024)）、基于非局域超表面实现时空涡旋的高效产生（Nat. Comm. 15, 3055 (2024)），以及通过控制时空频谱离散旋转对称性生成时空莫尔晶格光场（Nanophotonics (2025)）等。这些工作不仅为当前研究提供了坚实基础，也预示着此次所提出的二维时空对偶理论有望推动物理各分支间更深层次的交叉融合，并在时空光学及相关领域取得进一步的进展。
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https://www.nature.com/articles/s41467-025-57743-4
