于2026年第11期推出，詹其文教授团队发表题为“”的文章，创新性地提出基于频谱滤波的叠层扫描结合全变分降噪算法的表征方法，成功实现简单、紧凑且无参考的高阶时空涡旋（STOV）三维时空光场测量，实现了拓扑荷为5且时间分辨率优于6 fs的高精度表征，为时空涡旋在光通信编码及微观成像等领域的工程化应用提供了可靠新方案。

封面解读

封底以高阶时空涡旋（STOV）为主体 ，生动呈现了携带横向轨道角动量的超短脉冲光场被高精度三维重构的过程。将时空分布复杂的STOV脉冲输入到无参考光束的叠层扫描测量系统后，通过多光谱窄带滤波技术获取多波长空间衍射信息，并在重构中创新性引入全变分（TV）优化降噪算法。这一过程有效滤除了系统噪声干扰，最终精准恢复出拓扑荷为5、时间分辨率优于6 fs的三维时空涡旋完整光场。基于该单光束架构与TV算法的协同，即使在低信噪比的复杂测量环境下，也能保证极高的抗噪鲁棒性与相位边缘保真度。画面将三维时空涡旋结构与频谱离散采样的物理过程有机融合，直观刻画出该表征技术抗噪能力强、装置紧凑的特征，展现出其在大容量光通信与生物超分辨成像等前沿应用中精度高、无需参考光、场景适配性好的独特技术优势。

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研究背景

时空涡旋（STOV）是一类携带横向轨道角动量的新型时空光场，凭借独特的光学特性，在微观粒子操控、大容量光通信、超分辨成像等领域拥有巨大应用潜力。但该光场时空分布复杂，还极易受到噪声干扰，传统检测手段很难完成高精度测量，成为制约其落地应用的一大阻碍。目前主流的时空光场测量技术各有短板：干涉类方法必须搭配参考脉冲，不仅让实验光路变得复杂，测量精度也会受参考光束质量影响；哈特曼-夏克波前传感器虽无需参考光，性能却受硬件上限制约；面对高阶、多拓扑荷时空涡旋时，还会出现相位畸变、奇点错位、模式串扰等问题，三维复振幅信息难以完整捕获。

针对以上痛点，研究团队提出基于频谱滤波扫描与全变分（TV）优化的叠层扫描表征新方法。这套方案光路简洁、无需参考光，同时借助降噪算法大幅提升抗干扰能力，成功实现高阶时空涡旋的三维精准测量，为该领域技术工程化扫清障碍。

研究成果与亮点

1. 提出单光束无参考测量架构，实现复杂光场高分辨率多光谱采样

研究团队设计了基于频谱滤波的光谱分辨叠层扫描系统。通过旋转中心波长为1064 nm、半峰全宽为1 nm的窄带滤光片，将宽带STOV脉冲精确分离为覆盖1021~1038 nm波段的18个离散光谱通道。利用叠层扫描成像采集不同波长下的衍射图样，重构出各频谱分量的空间振幅与相位；再结合频率分辨光学门（FROG）完成多波长相位校准，最终通过时空傅里叶逆变换，解算出完整三维时空光场分布。

图1 STOV脉冲测量系统与光谱分辨的叠层扫描迭代算法流程

2. 创新性引入全变分（TV）降噪算法，显著提升复杂环境抗噪能力

针对实验环境下的散射、干涉与电路读出噪声，该研究在相位恢复重构阶段引入了结合Huber函数与L1保真项的全变分（TV）优化算法。该算法能够对各波长通道进行独立去噪，在平滑随机背景噪声的同时，极大程度上保留了时空光场的关键相位跳变边缘与中空涡旋暗核结构的锐度，大幅度提升了低信噪比条件下的算法鲁棒性。

图2 TV 优化前后的 STOV 脉冲三维重构结果对比

3.突破高阶STOV检测瓶颈，实现极高时空分辨率三维完整表征

研究团队搭建完整实验系统，利用柱面镜脉冲整形器生成中心波长1030 nm 的时空涡旋超短脉冲，光束经分束器分为两路：一路接入 FROG 系统采集时域信息，另一路进入频谱滤波-叠层扫描测量模块，成功完成了对拓扑荷数为5的高阶STOV脉冲完整三维表征。实验结果显示，重构光场不仅准确复现了随时间变化的螺旋相位特征，其时空分辨率更达到了时间优于6 fs、空间优于10 μm的极高精度，充分验证了该方法对复杂光场的解析能力。

图3 时空涡旋脉冲生成与测量实验装置及重构光场分布

总结与展望：推动时空涡旋工程化应用，赋能多维光场探测

本工作融合频谱滤波、叠层扫描成像、相位校准与TV 降噪技术，提出一套全新的时空涡旋三维表征方法。仿真与实验共同证实，该方法可精准测量拓扑荷为 5 的高阶时空涡旋，兼具高时空分辨率、强抗干扰性与结构简洁等特点。这一研究成果不仅为STOV脉冲的高精度、抗噪表征提供了可靠的无参考单光束新方案，也大幅降低了光路复杂度并提升了测量系统在复杂环境下的场景适配性。从应用层面来看，这种紧凑型的空频表征技术将为深入探索横向轨道角动量物理特性提供关键支撑，并有力推动飞秒尺度结构化时空波包在微观操控、大容量光通信编码以及生物超分辨成像等核心领域的工程化落地。未来，该无透镜成像框架还展现出向极紫外、X射线等更短波段时空光场探测拓展的广阔潜力。

通信作者简介

詹其文，国家特聘教授，现为西湖大学纳米光子学讲席教授。在Nature Photonics 等重要国际学术期刊发表论文300余篇，文章引用超过19800次，单篇最高引用超过3600次，研究成果四次入选美国光学学会OPTICA全球光学年度重大进展（2010年、2020年，2022年和2025年），3次入选中国光学十大进展（2020年，2022年和2025年）。现任Optics Express Deputy Editor、PhotoniX 副主编、Science Bulletin 副主编、编委、中国光学学会理事。由于其在光场调控及微纳米光子学领域的开创性工作，分别于2012年和2013年获选国际光学工程学会（SPIE）Fellow和美国光学学会（OPTICA）Fellow。