近日，上海理工大学光电信息与计算机工程学院詹其文教授团队在时空光场调控领域取得突破性进展：首次在实验上实现了全时空三维球形艾里波包，将快速自聚焦光场从二维空间拓展至全时空三维体系。该波包在空间与时间维度上同时呈现径向艾里分布，可实现全时空同步超快自聚焦，其峰值强度呈非线性跃升，焦深显著短于传统高斯波包。相关研究成果以“全时空三维自聚焦球形艾里波包（Full space-time ultrafast self-focusing of spherical Airy wavepackets）”为题，于2026年4月1日发表于《自然·物理（Nature Physics）》。上海理工大学光电信息与计算机工程学院是该论文的第一完成单位。论文第一作者为上海理工大学副研究员曹前和2024级博士研究生张年佳，通讯作者为上海理工大学詹其文教授、曹前副研究员和韩国釜山国立大学Andy Chong教授。
以光场精准“聚焦”并操控能量与物质的超快光镊、高分辨成像与激光微纳加工技术，深刻塑造了现代光学与光子学的发展路径。传统高斯光束在焦点附近强度变化平缓、焦深较大，严重制约了轴向分辨率与加工精度。环形艾里光束虽具备突变自聚焦特性，但仍局限于二维空间结构，尚未拓展至全时空三维体系。球形艾里波包在三维时空域内具有径向的艾里函数分布，因其三维时空耦合结构，调控难度极高，自2011年理论提出以来，始终未能在实验中实现。
针对这一挑战，研究团队创新性地提出并实现了两步制备方案：时空全息整形 + 极坐标保角变换，以对光场进行时空联合调控（课题组eLight5, 17 (2025)）。利用时空全息技术（课题组Nat Commun15, 7821 (2024)）在空间–时间域（X–T平面）生成半圆艾里波包(（见题图），随后通过空间域的指数极坐标保角变换，将笛卡尔坐标映射为对数极坐标，实现波包的时空折叠，最终获得全对称球形艾里波包。该波包在反常色散介质中传播时，旁瓣能量持续向主瓣汇聚，空间与时间维度的聚焦过程完全同步，形成高度局域化的“三维时空光子弹”，峰值强度非线性激增，焦深显著缩短。
该研究工作突破了传统艾里光场的维度限制，建立了三维时空光场调控新范式。球形艾里波包兼具时空局域、突变自聚焦与浅焦深等独特优势，为高分辨率显微成像、飞秒激光微纳加工、非线性光学激发与光捕获等应用提供了前所未有的精准聚焦工具。研究同时指出，当前受限于空间光调制器像素密度与孔径，聚焦性能仍有优化空间；未来结合超构表面、集成纳米光子器件与定制化衍射光学元件，有望实现更紧凑、更高强度的时空聚焦，推动超快光学与光场调控技术的跨越式发展。
不同形式的光学艾里波，图e为本工作生成的球艾里波包
论文链接：www.nature.com/articles/s41567-026-03237-z
上海理工大学COSMOS课题组网站：cosmos.usst.edu.cn
