CN110186578A - 超快光场的三域信息获取方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种超快光场的三域信息获取方法和系统。所述方法包括：获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息；获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息；获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息；融合所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息，根据融合得到的信息确定所述超快光场信号的三域信息；其中，所述第一待测信号、所述第二待测信号和所述第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。采用本发明提供的超快光场的三域信息获取方法和系统可以实现对超快光场信号时空频三域信息的实时测量，具有较高的完整性和时效性。
Description
技术领域
本申请涉及超快信号测量技术领域，特别是涉及一种超快光场的三域信息获取方法和系统。
背景技术
由于超短脉冲在飞秒化学、阿秒科学、自由电子激光器等研究领域的广泛应用，使得发展超快光场(皮秒、飞秒时间量级)测量技术具有重大的意义。早期超快测量技术的研究一般仅侧重于时域、空域和频域的某个方面，但随着涡旋光通信、时空孤子脉冲、多模锁模激光器、高维度瞬态激光动力学过程等方面研究的深入，实现超快光场时空频三域实时测量成为该领域发展的终极目标。然而传统方案获得的测量结果存在片面性，难以针对超快光场的时空频三域信息进行全面地实时测量。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实时获得超快光场时空频三域信息的超快光场的三域信息获取方法和系统。
一种超快光场的三域信息获取方法，所述方法包括：
获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息；
获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息；
获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息；
融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，根据融合得到的信息确定超快光场信号的三域信息；其中，第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。
上述超快光场的三域信息获取方法，通过获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息，获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息，获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，根据融合得到的信息确定超快光场信号的三域信息，实现对超快光场信号时空频三域信息的实时测量，具有较高的完整性和时效性。
一种超快光场的三域信息获取系统，包括：时空同步放大模块、第一光谱分光部件、第一多通道高速光电转换部件、时间透镜时频变换光路、第二多通道高速光电转换部件、时域拉伸色散部件、第二光谱分光部件、第三多通道高速光电转换部件和融合终端；
时空同步放大模块将第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号；第一光谱分光部件在时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；第一多通道高速光电转换部件将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到各个空间点位置的时域信息；第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号；
时间透镜时频变换光路对第二待测信号进行时间透镜时频变换处理；第二多通道高速光电转换部件将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第一频域信息；
时域拉伸色散部件对第三待测信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；第二光谱分光部件对时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；第三多通道高速光电转换部件对解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第二频域信息；
融合终端融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，确定超快光场信号的三域信息。
上述超快光场的三域信息获取系统，可以分别针对第一待测信号获取各个空间点位置的时域信息，针对第二待测信号获取各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息，针对第三待测信号获取各个空间点位置脉冲光部分的第二频域信息，以实时测量相应超快光场信号的时空频三域信息，使超快光场信号时空频三域信息的获取过程具有较高的实时性和完整性。
附图说明
图1为一个实施例中超快光场的三域信息获取方法的流程示意图；
图2为一个实施例的待测信号示意图；
图3为一个实施例中获取超快光场时域信息的仿真测试结果示意图；
图4为一个实施例中获取超快光场频域信息的仿真测试结果示意图；
图5为一个实施例中本发明三域信息测量的仿真测试结果示意图；
图6为一个实施例中超快光场的三域信息获取系统的结构框图；
图7为另一个实施例中超快光场的三域信息获取系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种超快光场的三域信息获取方法，包括以下步骤：
S210，获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息。
超快光场信号往往具有空间复杂性，可以采用光学分路器将其分为三路信号：第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号。还可以将上述超快光场信号与相关同步参考脉冲信号进行合束，将合束后的信号分为第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号这三路信号，以使上述三路信号均包括同步参考脉冲信号，以保证后续融合过程以同步参考脉冲信号为依据，提高融合准确性。
上述第一待测信号还可以与单频激光信号合束后，进行各个空间点位置的时域信息的获取，以在获取时域过程中实现第一待测信号的时域相位信息重构。
S230，获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息。
上述步骤可以将第二待测信号通过高刷新率时间透镜时频变换光路后，将空间每个点处的光信号均转变为电信号，从而得到每个空间点处待测超快光场信号连续光部分的第二频域信息。
S250，获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息；其中，第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。
上述步骤可以将第三待测信号进行傅里叶变换，得到空间分辨的时频变换光谱，然后将每一个空间点位置处的光场信号均进行分光，再将每个空间点处分光后的多路光信号均转变为电信号，从而得到每个空间点处待测超快光场信号脉冲光部分的第二频域信息。
S270，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，根据融合得到的信息确定超快光场信号的三域信息。
上述步骤可以对时域信息、第一频域信息和第二频域信息进行对准融合，以保证融合质量。在时域信息、第一频域信息和第二频域信息融合之前，还可以分别对时域信息、第一频域信息和第二频域信息进行进行模数转换，以得到相应的数字化信息，以便于进行后端数字化处理，保障融合等处理过程的精准性。
上述超快光场的三域信息获取方法，通过获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息，获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息，获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，根据融合得到的信息确定超快光场信号的三域信息，实现对超快光场信号时空频三域信息的实时测量，具有较高的完整性和时效性。
在一个实施例中，上述在获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息之前，上述方法还包括：
将超快光场信号和同步参考脉冲信号合束后，进行光学分路处理，得到第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号；
在获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息之后，上述方法还包括：
根据时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别包括的同步参考脉冲信号，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息；
在时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息。
上述同步参考脉冲信号可以携带对准标记，可以根据时域信息、第一频域信息和第二频域信息分别携带的对准标记，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准除上述两个信息之外的第三个信息，以实现时域信息、第一频域信息和第二频域信息的对准。上述时域信息、第一频域信息和第二频域信息融合后确定的三域信息包括超快光场信号的时域、空域和频域这三域信息，具有较高的完整性。
作为一个实施例，可以以同步参考脉冲信号为依据对各路采集信号的时间轴进行校正，获得统一时间轴下的时空频三域信息。基于广义投影法反演光场的相位信息，在假设初始相位的情况下通过如下迭代关系重构超快光场的相位信息：
基于时域和频域的测量样本IM(x,y,t)和反演方法主要分为四个迭代步骤：步骤一利用时域测量样本和相位表达式φ0(x,y,t)得到迭代一中的时域光场表达式ut1(x,y,t)，其中初始条件下φ0(x,y,t)取随机相位，否则取迭代四中光场表达式ut0(x,y,t)的相位；步骤二对迭代一的光场表达式ut1(x,y,t)进行傅里叶变换得到迭代二中的频域光场表达式uω0(x,y,ω)；步骤三利用频域测量样本和迭代二中频域光场表达式uω0(x,y,ω)得到迭代三中的频域光场表达式uω1(x,y,ω)；所述步骤四对迭代三中的频域光场表达式uω1(x,y,ω)进行傅里叶逆变换得到迭代四中的频域光场表达式ut0(x,y,t)。经由反复循环该过程最终实现针对超快光场时空频三域信息的实时超快测量。
在一个实施例中，上述获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息包括：
将第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号；
在时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；
将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到各个空间点位置的时域信息。
具体地，上述第一待测信号可以和单频激光信号合束后输入时空同步放大模块进行M倍的时域放大，得到时域放大信号，以使后续依据上述时域放大信号所获得的各个空间点位置的时域信息的精准性。
作为一个实施例，上述将第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号包括：
对第一待测信号进行第一色散处理，对第一色散处理后的光场信号施加时域上的第一周期性二次相位调制，对调制后的光场信号进行第二色散处理，得到时域放大信号。
上述第一待测信号可以直接输入或和单频激光信号合束后经过色散Din对应的第一色散处理，第一色散处理采用的色散参数Din(即第一色散大小)可以称为时空同步放大模块的“物距”；然后对光场信号施加时域上的周期性二次相位调制该周期性二次相位调制过程中，频率为f，调制窗口宽度为Tf，实现时间透镜功能，第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数Df也可以称为时间透镜的“焦距”，或者时空同步放大模块中泵浦端的色散量；被相位调制后的光场信号经由色散Dout对应的第二色散处理后输出时域放大信号，第二色散处理采用的色散参数Dout(即第二色散大小)也可以称为时空同步放大模块的“像距”。具体地，上述加载时域二次相位调制的方法(第一周期性二次相位调制过程)是电光型相位调制器或是基于啁啾脉冲序列的光参量频率转换过程。
可选地，时空同步放大模块的放大倍数M和第一周期性二次相位调制过程中的频率f，调制窗口宽度Tf满足如下关系式：以提高第一待测信号的时域放大效果。
作为一个实施例，第一色散处理采用的色散参数、第二色散处理采用的色散参数与第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数之间满足如下关系：
式中，Din表示第一色散处理采用的色散参数，Dout表示第二色散处理采用的色散参数，Df表示第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数；
第一待测信号的时域放大倍数M为：
本实施例可以提高所获得的时域放大信号的精准性，从而提高所获得的时域信息的准确性。
在一个示例中，上述第一待测信号可以直接输入，或者与单频激光信号合束后输入时空同步放大模块进行时域放大。时域放大过程中输入光场Ain(x,y,t)的表达式为：
式中，在第一待测信号与单频激光信号合束的情况下，er(x,y)表示单频激光信号的光场振幅，es(x,y,t)表示第一待测信号的光场幅度，表示第一待测信号的相位，Δk表示超快光场与单频激光信号的传播常数差，Ain(x,y,t)表示第一待测信号与单频激光信号合束后的信号，i表示虚数单位，t表示时间变量，x、y分别为空间上的横、纵坐标。基于时空对应原理，时空同步放大模块中输入端色散(第一色散)、泵浦端色散和输出端色散(第二色散)在满足成像关系的情况下可以实现M倍数的时域放大，经时空同步放大模块输出的光场Aout(x,y,t)如下式所示：
其中，Ain(x,y,t)表示第一待测信号与单频激光信号合束后的信号在时域上的表达式，Ain(x,y,ω)表示第一待测信号与单频激光信号合束后的信号在频域上的表达式，Aout(x,y,t)表示经时域放大后的输出信号，Din、Dout分别为时空同步放大模块中输入端和输出端的色散量大小，Df表示第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数，M为放大倍数，符号表示傅里叶变换，符号表示傅里叶逆变换，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。输入的超快光场信号(第一待测信号)得到了时域放大，同时和单频激光信号合束后的相干光场信号在被时域放大后可以利用傅里叶域滤波方法反推输入的超快光场信号。由于长时间尺度的光场信号在经历时域放大后会出现信号交叠的情况，本发明提出利用光谱分光的方法解耦输出端时域交叠信号，经时空同步放大模块的光场通过第一光谱分光部件得到解耦后的强度信号A(x,y,τ；ω0)，如下式所示：
其中，H(ω-ω0)为频谱响应函数，ω0为中心频率，符号“∝”表示正比于，Aout(x,y,t)表示经时域放大后的输出信号，A(x,y,t；ω0)表示时域放大信号经第一光谱分光附件后的输出信号。光谱分光部件可以作用于各空间位置，然后在每个光谱分光部件后均设置多通道高速光电转换部件将输出信号转换为电信号，并进行采集和记录，以获得第一待测信号中各个空间点位置的时域信息。
在一个实施例中，上述获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息包括：
对第二待测信号进行时间透镜时频变换处理，将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第一频域信息。
上述时间透镜时频变换处理可以采用高刷新率时间透镜时频变换光路针对第二待测信号进行相应处理。上述第一频域信息可以对每个空间点处超快光场信号的连续光部分进行准确表征。
本实施例将第二待测信号输入高刷新率时间透镜时频变换光路，实现对超快光场信号连续光分量频域信息高刷新率的实时测量，还可以实现对超快光场频域强度信息超高刷新率和高分辨率的完整测量。
作为一个实施例，上述对第二待测信号进行时间透镜时频变换处理，将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第一频域信息包括：
将第二待测信号进行第三色散处理，得到第一色散信号；
对第一色散信号施加时域上的第二周期性二次相位调制，以实现时间透镜处理，得到调制信号；
对调制信号进行第四色散处理，得到初始频域信息；
对各个空间点位置处的初始频域信息进行光电转换，得到第二频域信息。
具体地，上述对第二待测信号进行时间透镜时频变换处理，将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第一频域信息的过程也可以如下所示：
将第二待测信号经过第三色散部件进行色散大小为Φin的色散处理，得到第一色散信号；上述第三色散部件的色散大小为Φin也可以称为高刷新率时间透镜时频变换光路的“物距”；
对第一色散信号施加时域上的周期性二次相位调制：实现时间透镜功能，得到调制信号；其中，t表示时间变量，i表示虚数单位，Φf表示周期性二次相位调制过程采用的调制参数，Φ(t)表征周期性二次相位调制，上述调制参数Φf也可以称为时间透镜的“焦距”；
携带周期性时域二次相位调制的光场信号(即调制信号)经过第四色散部件进行色散大小为Φout的色散处理后，得到初始频域信息；第四色散大小Φout也称为高刷新率时间透镜时频变换光路的“像距”；具体地，上述加载时域二次相位调制的方法(第二周期性二次相位调制过程)可以是电光型相位调制器或啁啾脉冲序列的光参量频率转换过程；
将空间每个位置处的光场信号均转变为电信号，得到第二频域信息。
作为一个实施例，第三色散大小Φin、第四色散大小Φout分别与第二周期性二次相位调制过程采用的调制参数Φf相等；即Φin＝Φout＝Φf，第三色散大小为第三色散处理采用的色散参数；第四散大小为第四色散处理采用的色散参数。
在一个示例中，第二待测信号进入高刷新率时间透镜时频变换光路中，超快光场连续光成分的频域测量过程可以类比为空间透镜2-f系统中的傅里叶变换过程，光场中连续光成分在时间透镜后的像ETL(x,y,t)可以表示为：
式中，矩形函数描述了作为等效透镜的时域脉冲，ωp表示泵浦频率，ωs表示信号光频率，Φf表示时间透镜光路中第二周期性二次相位调制过程采用的调制参数，符号“∝”表示正比于，i表示虚数单位，Acw(x,y,t)表示连续光部分的光场表达式，ETL(x,y,t)表示连续光部分在时间透镜后的像，t表示时间变量。经过第四色散后在像面上实现时频傅里叶变换，输出光场ETLS(x,y,t)表达式如下所示：
其中，ETLS(x,y,t)表示经高刷新率时间透镜光路输出的光场表达式，Φout表示时间透镜时频变换光路中输出端色散量(第四色散的色散量)大小，符号表示傅里叶变换，符号表示傅里叶逆变换，δω＝2ωp-ωs，sinc函数的变量δω携带了连续光频率ωs的信息，且在满足条件2ΦoutΔΩP＜TR下，其中，ΔΩP表示时间透镜时频变换光路中泵浦脉冲的光谱带宽，TR表示泵浦脉冲的脉冲间隔时间，不会出现时间拉伸时频变换光路中的时域信号交叠问题。超快光场经过高刷新率时间透镜时频变换光路后，在输出信号的每个空间位置处设置高速光电转换部件，实现信号连续光部分频域信息的采集和记录，以获得第一频域信息。
在一个实施例中，上述获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息包括：
将第三待测信号进行色散后进行傅里叶变换，得到时频变换光谱；
将时频变换光谱中各个空间点位置处的光场信号分别进行分光处理，得到多路光信号；
对各路光信号分别进行光电转换，得到第二频域信息。
本实施例可以将第三待测信号通过色散ΦTS在时域充分拉伸展宽以实现时频傅里叶变换，得到空间分辨的时频变换光谱，然后将每一个空间点位置处的光场信号均经过光谱分光部件分光，再将每个空间点处经过光谱分光后的多路光信号均转变为电信号，从而得到每个空间点处待测超快光场信号脉冲光部分的第二频域信息，以保证所得到的第二频域信息的精度。
具体地，第三待测信号可以进入时域拉伸色散部件，经过时间拉伸后待测超快光场(第三待测信号)实现时频傅里叶变换。基于时空对应原理，在满足夫琅禾费衍射的近似条件下输出信号强度ITSS(x,y,t)可以表达为：
其中，Ap(x,y,ω)表示第三待测信号脉冲光部分光场在频域上的表达式，ΦTS表示时域拉伸色散部件的色散量大小，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。
在高光谱分辨率的频域测量中，时间拉伸时频变换后会出现时域信号交叠的问题。针对上述问题，可以采用光谱分光的方法解耦输出端时域交叠信号，经时域拉伸色散部件输出的时域光场通过第二光谱分光部件得到解耦后的强度信号，如下式所示：
其中，H(ω-ω0)为频谱响应函数，ω0为中心频率。从上式可以看出，时间变量t与频率变量ω为一一对应关系，经过时域拉伸时频变换后的光场信号与光谱分光部件作用后会直接映射到时刻t＝ω0ΦTS下的时域信号，光谱分光部件对空间每个点均进行光谱分光操作，然后在每个光谱分光部件后均设置多通道高速光电转换部件对输出信号进行光电转换和采集记录，以获得第二频域信息。
在一个实施例中，对具有空间复杂性的超快光场信号进行三域信号获取仿真。具有空间复杂性的待测信号如图2所示，不同空间位置处的光场在时域上均各不相同。该待测信号通过本发明提供的超快光场的三域信息获取方式得到时域和频域上的仿真测试结果分别如图3和图4所示，从图中可以看出，本发明的超快光场的三域信息获取方法可以获得不同空间位置处超快光场的时域和频域信息。
在一个具体的示例中，采用本发明的超快光场的三域信息获取方式对单个空间位置处时间长度为9ns的待测信号进行测试。通过本发明测量系统后的仿真结果如图5所示，从图中可以看出，本发明的三域信息获取方式具备辨别超快光场中连续光部分的能力，同时测量刷新率达到1GHz。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种超快光场的三域信息获取系统，包括：时空同步放大模块11、第一光谱分光部件12、第一多通道高速光电转换部件13、时间透镜时频变换光路21、第二多通道高速光电转换部件22、时域拉伸色散部件31、第二光谱分光部件32、第三多通道高速光电转换部件33和融合终端41；
时空同步放大模块11将第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号；第一光谱分光部件12在时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；第一多通道高速光电转换部件13将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到各个空间点位置的时域信息；第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号；
时间透镜时频变换光路21对第二待测信号进行时间透镜时频变换处理；第二多通道高速光电转换部件22将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第一频域信息；
时域拉伸色散部件31对第三待测信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；第二光谱分光部件32对时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；第三多通道高速光电转换部件33对解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第二频域信息；
融合终端41融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息，确定超快光场信号的三域信息。
上述融合终端41为具有接收各类信号，对相应信号进行对准、融合等处理功能的智能终端。上述时间透镜时频变换光路21为高刷新率时间透镜时频变换光路，可以针对第二待测信号进行第三色散处理，施加时域上的周期性二次相位调制实现时间透镜处理，以及进行第四色散处理等为获得第二合束信号中各个空间点处连续光部分频域信息作贡献的处理。
上述超快光场的三域信息获取系统，可以分别针对第一待测信号获取各个空间点位置的时域信息，针对第二待测信号获取各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息，针对第三待测信号获取各个空间点位置脉冲光部分的第二频域信息，以实时测量相应超快光场信号的时空频三域信息，使超快光场信号时空频三域信息的获取过程具有较高的实时性和完整性。
在一个实施例中，参考图7所示，上述超快光场的三域信息获取系统还包括同步参考脉冲源42和光学分路部件43；
同步参考脉冲源42产生同步参考脉冲信号；光学分路部件43将合束后的超快光场信号和同步参考脉冲信号分为第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号；
融合终端41分别读取时域信息、第一频域信息和第二频域信息包含的同步参考脉冲信号，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，在时域信息、第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合时域信息、第一频域信息和第二频域信息。
具体地，上述同步参考脉冲信号可以携带对准标记，融合终端41分别读取时域信息、第一频域信息和第二频域信息携带的对准标记，将时域信息、第一频域信息和第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，以提高相应的对准效率。
在一个示例中，可以以同步参考脉冲信号为依据对各路采集信号的时间轴进行校正，获得统一时间轴下的时空频三域信息。基于广义投影法反演光场的相位信息，在假设初始相位的情况下通过如下迭代关系重构超快光场的相位信息：
基于时域和频域的测量样本IM(x,y,t)和反演方法主要分为四个迭代步骤：步骤一利用时域测量样本和相位表达式φ0(x,y,t)得到迭代一中的时域光场表达式ut1(x,y,t)，其中初始条件下φ0(x,y,t)取随机相位，否则取迭代四中光场表达式ut0(x,y,t)的相位；步骤二对迭代一的光场表达式ut1(x,y,t)进行傅里叶变换得到迭代二中的频域光场表达式uω0(x,y,ω)；步骤三利用频域测量样本和迭代二中频域光场表达式uω0(x,y,ω)得到迭代三中的频域光场表达式uω1(x,y,ω)；所述步骤四对迭代三中的频域光场表达式uω1(x,y,ω)进行傅里叶逆变换得到迭代四中的频域光场表达式ut0(x,y,t)。经由反复循环该过程最终实现针对超快光场时空频三域信息的实时超快测量。
在一个实施例中，上述时空同步放大模块包括第一色散部件、第一泵浦脉冲光源、第一泵浦端色散部件、第一高非线性介质、第一光学滤波器和第二色散部件；
第一色散部件对第一待测信号进行第一色散处理，形成第一探测光；第一泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第一泵浦脉冲；第一泵浦端色散部件对第一泵浦脉冲施加色散，形成第一泵浦光；第一高非线性介质为第一探测光和第一泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；第一光学滤波器将非线性参量过程产生的第一闲频光滤出；第二色散部件对第一闲频光进行第二色散处理，得到时域放大信号。
可选地，上述第一待测信号还可以与单频激光信号合束后输入时空同步放大模块的第一色散部件。
上述第一待测信号可以直接输入或和单频激光信号合束后经过第一色散部件进行色散Din，形成第一探测光，第一色散处理采用的色散参数Din可以称为时空同步放大模块的“物距”；第一泵浦端色散部件对第一泵浦脉冲施加色散Df，形成第一泵浦光，第一泵浦光对光场信号施加时域上的周期性二次相位调制该周期性二次相位调制过程中，频率为f，调制窗口宽度为Tf，实现时间透镜功能，第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数Df也可以称为时间透镜的“焦距”；第二色散部件对第一闲频光进行色散Dout，第二色散部件采用的色散参数Dout也可以称为时空同步放大模块的“像距”。具体地，上述加载时域二次相位调制的方法(第一周期性二次相位调制过程)是电光型相位调制器或是基于啁啾脉冲序列的光参量频率转换过程。
可选地，时空同步放大模块的放大倍数M和第一周期性二次相位调制过程中的频率f，调制窗口宽度Tf满足如下关系式：以提高第一待测信号的时域放大效果。
作为一个实施例，Din、Dout、Df之间满足如下关系：
第一待测信号的时域放大倍数M为：
在一个示例中，上述第一待测信号可以直接输入，或者与单频激光信号合束后输入时空同步放大模块进行时域放大。时域放大过程中输入光场Ain(x,y,t)的表达式为：
式中，在第一待测信号与单频激光信号合束的情况下，er(x,y)表示单频激光信号的光场振幅，es(x,y,t)表示第一待测信号的光场幅度，表示第一待测信号的相位，Δk表示超快光场与单频激光信号的传播常数差，Ain(x,y,t)表示第一待测信号与单频激光信号合束后的信号，i表示虚数单位，t表示时间变量，x、y分别为空间上的横、纵坐标。基于时空对应原理，时空同步放大模块中输入端色散(第一色散)、泵浦端色散和输出端色散(第二色散)在满足成像关系的情况下可以实现M倍数的时域放大，经时空同步放大模块输出的光场Aout(x,y,t)如下式所示：
其中，Ain(x,y,t)表示第一待测信号与单频激光信号合束后的信号在时域上的表达式，Ain(x,y,ω)表示第一待测信号与单频激光信号合束后的信号在频域上的表达式，Aout(x,y,t)表示经时域放大后的输出信号，Din、Dout分别为时空同步放大模块中输入端和输出端的色散量大小，Df表示第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数，M为放大倍数，符号表示傅里叶变换，符号表示傅里叶逆变换，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。输入的超快光场信号(第一待测信号)得到了时域放大，同时和单频激光信号合束后的相干光场信号在被时域放大后可以利用傅里叶域滤波方法反推输入的超快光场信号。由于长时间尺度的光场信号在经历时域放大后会出现信号交叠的情况，本发明提出利用光谱分光的方法解耦输出端时域交叠信号，经时空同步放大模块的光场通过第一光谱分光部件得到解耦后的强度信号A(x,y,τ；ω0)，如下式所示：
其中，H(ω-ω0)为频谱响应函数，ω0为中心频率，符号“∝”表示正比于，Aout(x,y,t)表示经时域放大后的输出信号，A(x,y,t；ω0)表示时域放大信号经第一光谱分光附件后的输出信号。光谱分光部件可以作用于各空间位置，然后在每个光谱分光部件后均设置多通道高速光电转换部件将输出信号转换为电信号，并进行采集和记录，以获得第一待测信号中各个空间点位置的时域信息。
在一个示例中，第三待测信号可以进入时域拉伸色散部件，经过时间拉伸后待测超快光场(第三待测信号)实现时频傅里叶变换。基于时空对应原理，在满足夫琅禾费衍射的近似条件下输出信号强度ITSS(x,y,t)可以表达为：
其中，Ap(x,y,ω)表示第三待测信号脉冲光部分光场在频域上的表达式，ΦTS表示时域拉伸色散部件的色散量大小，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。
在高光谱分辨率的频域测量中，时间拉伸时频变换后会出现时域信号交叠的问题。针对上述问题，可以采用光谱分光的方法解耦输出端时域交叠信号，经时域拉伸色散部件输出的时域光场通过第二光谱分光部件得到解耦后的强度信号，如下式所示：
其中，H(ω-ω0)为频谱响应函数，ω0为中心频率。从上式可以看出，时间变量t与频率变量ω为一一对应关系，经过时域拉伸时频变换后的光场信号与光谱分光部件作用后会直接映射到时刻t＝ω0ΦTS下的时域信号，光谱分光部件对空间每个点均进行光谱分光操作，然后在每个光谱分光部件后均设置多通道高速光电转换部件对输出信号进行光电转换和采集记录，以获得第二频域信息。
在一个实施例中，上述时间透镜时频变换光路包括第三色散部件(输入端色散部件)、第二泵浦脉冲光源、第二泵浦端色散部件、第二高非线性介质、第二光学滤波器和第四色散部件(输出端色散部件)；
第三色散部件对第二待测信号施加色散，形成第二探测光；第二泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第二泵浦脉冲；第二泵浦端色散部件对第二泵浦脉冲施加色散，形成第二泵浦光；第二高非线性介质为第二探测光和第二泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；第二光学滤波器将非线性参量过程产生的第二闲频光滤出；第四色散部件压缩第二闲频光，在时域上得到时间透镜时频变换处理后的信号(初始频域信息)。
具体地，时间透镜时频变换光路的物距Φin、焦距Φf、像距Φout满足如下关系式：Φin＝Φout＝Φf。
作为一个实施例，上述同步参考脉冲源为皮秒或飞秒脉冲激光器；以使所产生的同步参考脉冲信号可以携带准确的对准标记，使第一频域信息和第二频域信息可以得到准确对准。
作为一个实施例，上述同步参考脉冲源的脉冲重复频率低于时间透镜时频变换光路中脉冲光源的脉冲重复频率。这样第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号分别包括的同步参考脉冲信号便不会对时域信息、第一频域信息和第二频域信息的获取过程造成干扰，可以保证时域信息、第一频域信息和第二频域信息获取过程中的准确性。
在一个示例中，第二待测信号进入高刷新率时间透镜时频变换光路中，超快光场连续光成分的频域测量过程可以类比为空间透镜2-f系统中的傅里叶变换过程，光场中连续光成分在时间透镜后的像ETL(x,y,t)可以表示为：
式中，矩形函数描述了作为等效透镜的时域脉冲，ωp表示泵浦频率，ωs表示信号光频率，Φf表示时间透镜光路中第二周期性二次相位调制过程采用的调制参数，符号“∝”表示正比于，i表示虚数单位，Acw(x,y,t)表示连续光部分的光场表达式，ETL(x,y,t)表示连续光部分在时间透镜后的像，t表示时间变量。经过第四色散后在像面上实现时频傅里叶变换，输出光场ETLS(x,y,t)表达式如下所示：
其中，ETLS(x,y,t)表示经高刷新率时间透镜光路输出的光场表达式，Φout表示时间透镜时频变换光路中输出端色散量(第四色散的色散量)大小，符号表示傅里叶变换，符号表示傅里叶逆变换，δω＝2ωp-ωs，sinc函数的变量δω携带了连续光频率ωs的信息，且在满足条件2ΦoutΔΩP＜TR下，其中，ΔΩP表示时间透镜时频变换光路中泵浦脉冲的光谱带宽，TR表示泵浦脉冲的脉冲间隔时间，不会出现时间拉伸时频变换光路中的时域信号交叠问题。超快光场经过高刷新率时间透镜时频变换光路后，在输出信号的每个空间位置处设置高速光电转换部件，实现信号连续光部分频域信息的采集和记录，以获得第一频域信息。
在一个实施例中，上述超快光场的三域信息获取系统还包括单频激光光源；
上述单频激光光源产生单频激光信号，单频激光信号用于和所述第一待测信号合束，以实现时域相位信息重构，保证第一待测信号中各个空间点位置的时域信息获取过程中的顺利性。
在一个实施例中，上述超快光场的三域信息获取系统还包括模数转换器；
模数转换器将输入所述融合终端输出的信息(如时域信息、第一频域信息和第二频域信息)转换为相应的数字化信息，以进行后端数据处理。
上述超快光场的三域信息获取系统通过时空同步放大模块获得了空间分辨的放大时域光场信号，经光谱分光解耦信号交叠后由高速光电转换部件实现各空间位置时域信号波形的实时测量；同时利用时间透镜光路和时域拉伸色散部件分别完成对空间复杂的光场连续光部分和脉冲光部分的时频傅里叶变换，经光谱分光解耦信号交叠后配合高速光电转换部件实现各空间位置高刷新率频域信息实时测量，采用参考脉冲源同步、校准各路信号并利用反演算法融合时空频三域信息，最终达到高刷新率(大于1GHz的刷新率)，高时空频分辨率(时间分辨率可达约50fs，空域分辨率可达约500nm，光谱分辨率可达约1pm)的超快光场时空频三域信息的实时超快测量。
在一个实施例中，对具有空间复杂性的超快光场信号进行三域信号获取仿真。具有空间复杂性的待测信号如图2所示，不同空间位置处的光场在时域上均各不相同。该待测信号通过本发明提供的超快光场的三域信息获取系统得到时域和频域上的仿真测试结果分别如图3和图4所示，从图中可以看出，本发明的超快光场的三域信息获取系统可以获得不同空间位置处超快光场的时域和频域信息。
在一个具体的示例中，采用本发明的超快光场的三域信息获取系统对单个空间位置处时间长度为9ns的待测信号进行测试。通过本发明测量系统后的仿真结果如图5所示，从图中可以看出，本发明的三域信息获取方式具备辨别超快光场中连续光部分的能力，同时测量刷新率达到1GHz。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种超快光场的三域信息获取方法，其特征在于，所述方法包括：
获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息；
获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息；
获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息；
融合所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息，根据融合得到的信息确定所述超快光场信号的三域信息；其中，所述第一待测信号、所述第二待测信号和所述第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息之前，所述方法还包括：
将所述超快光场信号和同步参考脉冲信号合束后，进行光学分路处理，得到所述第一待测信号、所述第二待测信号和所述第三待测信号；
在所述获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息之后，所述方法还包括：
根据所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息分别包括的同步参考脉冲信号，将所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息；
在所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息对准之后，融合所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取第一待测信号中各个空间点位置的时域信息包括：
将所述第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号；
在所述时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；
将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到各个空间点位置的时域信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号包括：
对所述第一待测信号进行第一色散处理，对第一色散处理后的光场信号施加时域上的第一周期性二次相位调制，对调制后的光场信号进行第二色散处理，得到所述时域放大信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一色散处理采用的色散参数、第二色散处理采用的色散参数与第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数之间满足如下关系：
式中，Din表示第一色散处理采用的色散参数，Dout表示第二色散处理采用的色散参数，Df表示第一周期性二次相位调制过程采用的调制参数；
所述第一待测信号的时域放大倍数M为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取第二待测信号中各个空间点位置处连续光部分的第一频域信息包括：
对所述第二待测信号进行时间透镜时频变换处理，将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到所述第一频域信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述第二待测信号进行时间透镜时频变换处理，将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到所述第一频域信息包括：
将所述第二待测信号进行第三色散处理，得到第一色散信号；
对所述第一色散信号施加时域上的第二周期性二次相位调制，以实现时间透镜处理，得到调制信号；
对所述调制信号进行第四色散处理，得到初始频域信息；
对各个空间点位置处的初始频域信息进行光电转换，得到所述第二频域信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第三色散大小、第四色散大小分别与第二周期性二次相位调制过程采用的调制参数相等；所述第三色散大小为所述第三色散处理采用的色散参数；所述第二散大小为所述第四色散处理采用的色散参数。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述获取第三待测信号中各个空间点位置处脉冲光部分的第二频域信息包括：
将所述第三待测信号进行色散后进行傅里叶变换，得到时频变换光谱；
将所述时频变换光谱中各个空间点位置处的光场信号分别进行分光处理，得到多路光信号；
对各路光信号分别进行光电转换，得到所述第二频域信息。
10.一种超快光场的三域信息获取系统，其特征在于，包括：时空同步放大模块、第一光谱分光部件、第一多通道高速光电转换部件、时间透镜时频变换光路、第二多通道高速光电转换部件、时域拉伸色散部件、第二光谱分光部件、第三多通道高速光电转换部件和融合终端；
所述时空同步放大模块将第一待测信号进行时域放大，得到时域放大信号；所述第一光谱分光部件在所述时域放大信号的各个空间点位置进行光谱分光；所述第一多通道高速光电转换部件将光谱分光后的多路信号转换为电信号，得到各个空间点位置的时域信息；所述第一待测信号、第二待测信号和第三待测信号为待测的超快光场信号分路得到的三路信号；
所述时间透镜时频变换光路对所述第二待测信号进行时间透镜时频变换处理；所述第二多通道高速光电转换部件将时间透镜时频变换处理后的信号中各个空间点位置处的光信号转变为电信号，得到第一频域信息；
所述时域拉伸色散部件对所述第三待测信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；所述第二光谱分光部件对所述时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；所述第三多通道高速光电转换部件对所述解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第二频域信息；
所述融合终端融合所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息，确定所述超快光场信号的三域信息。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括同步参考脉冲源和光学分路部件；
所述同步参考脉冲源产生同步参考脉冲信号；所述光学分路部件将合束后的所述超快光场信号和所述同步参考脉冲信号分为所述第一待测信号、所述第二待测信号和所述第三待测信号；
所述融合终端分别读取所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息包含的同步参考脉冲信号，将所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息中的任意两个信息分别对准第三个信息，在所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息对准之后，融合所述时域信息、所述第一频域信息和所述第二频域信息。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述时空同步放大模块包括第一色散部件、第一泵浦脉冲光源、第一泵浦端色散部件、第一高非线性介质、第一光学滤波器和第二色散部件；
所述第一色散部件对所述第一待测信号进行第一色散处理，形成第一探测光；所述第一泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第一泵浦脉冲；所述第一泵浦端色散部件对第一泵浦脉冲施加色散，形成第一泵浦光；所述第一高非线性介质为第一探测光和第一泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；所述第一光学滤波器将非线性参量过程产生的第一闲频光滤出；所述第二色散部件对所述第一闲频光进行第二色散处理，得到所述时域放大信号。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述时间透镜时频变换光路包括第三色散部件、第二泵浦脉冲光源、第二泵浦端色散部件、第二高非线性介质、第二光学滤波器和第四色散部件；
所述第三色散部件对第二待测信号施加色散，形成第二探测光；所述第二泵浦脉冲光源产生超短脉冲序列作为第二泵浦脉冲；所述第二泵浦端色散部件对第二泵浦脉冲施加色散，形成第二泵浦光；所述第二高非线性介质为第二探测光和第二泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；所述第二光学滤波器将非线性参量过程产生的第二闲频光滤出；所述第四色散部件压缩第二闲频光，在时域上得到时间透镜时频变换处理后的信号。
14.根据权利要求10至13任一项所述的系统，其特征在于，还包括单频激光光源；
所述单频激光光源产生单频激光信号，所述单频激光信号用于和所述第一待测信号合束，以实现时域相位信息重构。
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