在现代光学系统中，如何实现对光束的高精度、强约束聚焦，始终是成像、非线性光学及光操控等领域的核心问题。传统的高斯光束虽然应用广泛，但在焦点附近存在强度变化缓慢、聚焦深度较大等局限，难以满足高分辨与超快动态调控的需求。近年来，具有自加速与无衍射特性的艾里光束（Airy beam）为光场调控提供了全新的思路。尤其是在二维体系中，圆对称艾里光束已被证明能够实现超快自聚焦效应，显著提升聚焦性能。然而，将这一能力扩展到三维时空尺度，仍然是当前研究的前沿方向。本期围绕一种新型三维光场结构——球型艾里波包（Spherical Airy wavepackets）展开，系统介绍其在时空域内的自聚焦特性。该类光场在径向方向呈现艾里函数分布，通过精确调制可以实现远超传统高斯光束的快速强度增强与紧致时空约束，显著缩小焦深并提升聚焦效率。基于此，本期从理论建模、数值仿真到光场演化过程可视化，完整实现时空自聚焦球型艾里光束的构建过程。同时，我们还将探讨其在高分辨成像、非线性光学、光镊操控及超快光学系统中的潜在应用价值。
一、引言
在现代光学系统中，实现光束的高精度、强约束聚焦对于显微成像、激光加工及非线性光学等应用至关重要。然而，传统高斯光束在焦点附近的强度变化较为平缓，导致其峰值强度增长缓慢、焦深较大，从而限制了其在高分辨和高能量密度场景中的应用效果。
为突破这一瓶颈，研究者提出了多种新型光场结构，如贝塞尔光束、Pearcey光束等。其中，艾里光束因其独特的自加速传播与突变自聚焦特性受到广泛关注。相比传统光束，艾里光束在传播过程中能够通过旁瓣持续向主瓣输运能量，从而实现更剧烈的强度增强和更紧致的空间约束。
在此基础上，圆形艾里光束（Circular Airy Beam, CAB）进一步实现了径向自聚焦，其焦点附近表现出显著的非线性强度突增。然而，这类光场仍局限于空间维度调控。近年来，随着时空光场调控技术的发展，将艾里结构扩展至全时空域（3D+时间）成为新的研究热点。
球型艾里波包（Spherical Airy Wavepacket, s-Airy）正是在这一背景下提出的一种新型三维光场结构。其在径向方向同时包含空间与时间耦合的艾里函数分布，能够实现全时空域的超快自聚焦，显著降低焦深并提高峰值强度。这种光场不仅继承了传统艾里光束的突变聚焦特性，还在三维尺度上实现了更强的能量压缩能力。
二、理论基础
球型艾里波包是在传统艾里解的基础上，通过径向对称扩展 + 时空耦合得到，其传播解为：
其中：
- r：时空耦合径向坐标（核心！）
- γ
- r0：主环半径
- w：尺度参数
- α：衰减因子
其本质是把Airy函数从“1D → 2D环 → 3D球”逐步推广Cao, Q., Zhang, N., Chong, A. et al. Full space-time ultrafast self-focusing of spherical Airy wavepackets. Nat. Phys. (2026).
https://www.nature.com/articles/s41567-026-03237-z#citeas
