自由空间中时空波包可实现的最大差分群延迟是多少

“时空”波包——具有紧密时空谱关联的传播不变脉冲光束——的群速度在自由空间中可取任意值。本文从理论与实验上研究了现实有限能量的时空波包相对于以光速传播的参考脉冲所能实现的最大群延迟。我们发现该延迟仅由波包时空谱中空间频率与波长关联所对应的谱不确定性决定，而与光束尺寸、带宽或脉冲宽度无关。我们通过实验表明，时空波包的传播受一个由谱不确定性诱导的“引导包络”所限制，该包络以等于真空中光速的群速度传播。时空波包与引导包络之间的时间走离将可实现的最大差分群延迟限制为引导包络的宽度。在此引导包络内，时空波包可局部以任意群速度传播，且不会违背相对论因果性，因为超光速与亚光速时空波包各自的前缘或后缘一旦到达包络边缘便被抑制。利用宽度约 4 ps、谱不确定性约 20 pm 的脉冲，我们测得约 ±150 ps 的最大差分群延迟，这比以前报道的测量结果至少高出三个数量级。