CN110207821A - 超快光场的频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频域信息获取方法和系统。所述方法包括：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，得到第一合束信号和第二合束信号；分别获取所述第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息；分别获取所述第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息；根据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，对准所述第一频域信息和所述第二频域信息；在第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合第一频域信息和第二频域信息，得到所述超快光场信号的完整频域信息。采用本发明提供的超快光场的频域信息获取方法和系统可以得到超快光场信号的完整频域信息。
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频域信息获取方法和系统。
背景技术
频域超快测量技术是一种针对超快光场(短至皮秒、飞秒量级的光场)频域信息的表征手段，在化学反应动力学、材料能级结构弛豫特性研究等方面具有重要作用，目前已成为物理与材料研究领域基本配备的表征方式和必不可少的研究手段。相关频域(光谱)超快测量技术有瞬态荧光光谱测量技术、瞬态吸收光谱测量技术、时间相关单光子计数测量技术、时间分辨四波混频技术等，以上技术手段一般基于泵浦-探测方式，而泵浦探测要求超快信号为周期性重复信号，从而通过多次测量实现对超快事件频域演化过程的测量。但是在某些研究应用场景中，如激光的建立过程、激光动力学过程往往为单次不可重复事件，且其出现时刻点不确定，因此就需要兼备高频域分辨率和高刷新率的频域实时超快测量技术和系统。加之超快光场一般还具有空间复杂性，即不同空间位置处的信号之间存在差异性，然而目前的频域超快测量技术仅具有时间上的分别能力，导致所获得的结果存在片面性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种具备空间分别能力的超快光场的频域信息获取方法和系统。
一种超快光场的频域信息获取方法，所述方法包括：
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，得到第一合束信号和第二合束信号；
分别获取第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息；
分别获取第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息；
根据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，对准第一频域信息和第二频域信息；
在第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合第一频域信息和第二频域信息，得到超快光场信号的完整频域信息。
在一个实施例中，上述分别获取第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息包括：
将第一合束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，得到第一频域信息。
在一个实施例中，上述分别获取第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息包括：
对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到第二频域信息。
作为一个实施例，上述对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到第二频域信息包括：
将第二合束信号进行输入端色散处理，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；对调制信号进行输出端色散处理，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。
在一个实施例中，上述同步参考脉冲信号携带对准标记；
上述根据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，对准第一频域信息和第二频域信息包括：
根据第一频域信息和第二频域信息分别携带的对准标记对准第一频域信息和第二频域信息。
上述超快光场的频域信息获取方法，通过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，得到第一合束信号和第二合束信号，分别获取第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息，以及第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息，在第一频域信息和第二频域信息对准后，对第一频域信息和第二频域信息进行融合，得到超快光场信号的完整频域信息，使所得到的完整频域信息包括待测的超快光场信号的时间信息和空间信息，能够对相应的超快光场信号进行完整且准确地表征。
一种超快光场的频域信息获取系统，包括：同步参考脉冲源、光学分路部件、时域拉伸色散部件、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和融合终端；
上述同步参考脉冲源产生同步参考脉冲信号；上述光学分路部件将合束后的超快光场信号和同步参考脉冲信号分为第一合束信号和第二合束信号；
时域拉伸色散部件对第一合束信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；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；第一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，得到第一频域信息；
时间透镜时频变换光路对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，得到初始频域信息；第二多通道高速光电转换部件对初始频域信息进行光电转换，得到第二频域信息；
融合终端对准并融合第一频域信息和第二频域信息。
在一个实施例中，上述时间透镜时频变换光路包括输入端色散部件、脉冲光源、泵浦端色散部件、高非线性介质、光学滤波器和输出端色散部件；
上述输入端色散部件对输入待测光场(即第二合束信号)施加色散Φin，形成探测光；脉冲光源产生超短脉冲序列作为泵浦脉冲；泵浦端色散部件对泵浦脉冲施加色散，形成泵浦光；高非线性介质为探测光和泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；光学滤波器将非线性参量过程产生的闲频光滤出；输出端色散部件压缩闲频光，在时域上得到连续光部分的初始频域信息。
在一个实施例中，上述同步参考脉冲源为皮秒或飞秒脉冲激光器。
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。
上述超快光场的频域信息获取系统可以包括超快光场信号的时间信息和空间信息的完整频率信息，所获得的完整频率信息能够对超快光场信号进行完整准确地表征。
附图说明
图1为一个实施例中超快光场的频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为一个实施例中本发明频域测量的仿真测试结果示意图；
图4为现有测量系统的仿真结果示意图；
图5为另一个实施例中本发明频域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频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频域信息获取方法，包括以下步骤：
S210，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，得到第一合束信号和第二合束信号。
超快光场信号往往具有空间复杂性，在其与同步参考脉冲信号合束后，可以采用光学分路器将合束后的信号分为两路：第一合束信号和第二合束信号。
S230，分别获取第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息。
上述步骤可以将第一合束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一频域信息。
S250，分别获取第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息。
上述步骤可以将第二合束信号通过高刷新率时间透镜时频变换光路后，直接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。
S270，根据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，对准第一频域信息和第二频域信息。
由于同步参考脉冲信号同时存在于两个频域测量通道(即存在于第一频域信息和第二频域信息)，以此为参考对获取的频域信息进行校正和对准，最终可以实现针对复杂超快光场空间分辨的高分辨率和高刷新率频域实时超快测量。
上述同步参考脉冲信号可以携带对准标记等同步参考信息，可以根据同步参考信息对准第一频域信息和第二频域信息，以保证后续第一频域信息和第二频域信息在融合过程中的准确性。具体地，上述步骤可以分别读取第一频域信息包括的同步参考脉冲信号和第二频域信息包括的同步参考脉冲信号，根据两者分别包括的同步参考脉冲信号将第一频域信息对准第二频域信息；或者将第二频域信息对准第一频域信息。
S290，在第一频域信息和第二频域信息对准之后，融合第一频域信息和第二频域信息，得到超快光场信号的完整频域信息。
上述步骤所得到的完整频域信息包括待测的超快光场信号的时间信息和空间信息，具有较高的完整性。
上述超快光场的频域信息获取方法，通过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，得到第一合束信号和第二合束信号，分别获取第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息，以及第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息，在第一频域信息和第二频域信息对准后，对第一频域信息和第二频域信息进行融合，得到超快光场信号的完整频域信息，使所得到的完整频域信息包括待测的超快光场信号的时间信息和空间信息，能够对相应的超快光场信号进行完整且准确地表征。
在一个实施例中，上述分别获取第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息包括：
将第一合束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，得到第一频域信息。
本实施例可以将第一合束信号通过色散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一频域信息，以保证所得到的第一频域信息的精度。
在一个示例中，待测的超快光场信号和同步参考脉冲信号合束，经过光学分路部件，得到的第一合束信号进入时间拉伸色散部件，对待测超快光场进行时间拉伸时频傅里叶变换，得到时频变换光谱。基于时空对应原理，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过程中，可以求解色散介质的传输方程得到输出信号强度ITSS(t)，以得到所需的多路光信号；其中对积分项作近似处理后得到表达式的过程可以如下所示：
其中，Es(ω)为第一合束信号在频域上的表达式(即时频变换光谱)，ΦTS表示针对第一合束信号进行色散采用的色散参数，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。在高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问题，针对上述问题，可以采用光谱分光方法解耦输出端时域交叠信号，其公式表述过程如下所示：
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，以获得第一频域信息。
在一个实施例中，上述分别获取第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息包括：
对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到第二频域信息。
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合束信号进行相应处理。上述第二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。
本实施例将第二路光场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，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，上述对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到第二频域信息包括：
将第二合束信号进行输入端色散处理，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；
对调制信号进行输出端色散处理，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，上述对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到第二频域信息的过程也可以如下所示：
将第二合束信号经过输入端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；上述输入端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)经过输出端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；第二色散大小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可以是电光型相位调制器或啁啾脉冲序列分别和非线性介质的组合；
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，上述第一色散大小Φin、第二色散大小Φout分别与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，第一色散大小为输入端色散处理采用的色散参数；第二散大小为输出端色散处理采用的色散参数。
本实施例可以保证高刷新率时间透镜时频变换光路进行相应处理的准确性。
在一个示例中，在高刷新率时间透镜时频变换光路中，超快光场信号连续光部分的频域测量过程可类比为空间透镜2-f系统的傅里叶变换过程，连续光部分在时间透镜后的像可表示为：
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的泵浦端色散量，符号“∝”表示正比于，i表示虚数单位，As表示连续光部分的光场幅度，ETL(t)表示连续光部分在时间透镜后的像。
ETL(t)在像面上的光场ETLS(t)可以写为：
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。超快光场信号经过高刷新率时间透镜时频变换光路后，在其后每个空间点位置处均设置高速光电转换部件，实现光信号的采集和记录，以获得第二频域信息。
在一个实施例中，上述同步参考脉冲信号携带对准标记；
上述根据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，对准第一频域信息和第二频域信息包括：
根据第一频域信息和第二频域信息分别携带的对准标记，对准第一频域信息和第二频域信息。
具体地，本实施例可以依据第一频域信息和第二频域信息分别携带的对准标记，将第一频域信息对准第二频域信息，或者将第二频域信息对准第一频域信息，以实现第一频域信息和第二频域信息的对准。
本实施例能够使第一频域信息和第二频域信息进行准确对准，保证第一频域信息和第二频域信息在融合过程中的准确性，从而保证所得到的完整频域信息的准确性。
在一个示例中，具有空间复杂性的待测信号(超快光场信号)可以参考图2所示，不同空间位置处的光场在时域上均各不相同。采用本发明提供的超快光场的频域信息获取方法进行频域测量的仿真测试结果可以参考图3所示，从图3中可以看出，本发明的超快光场的频域信息获取方法可以获得不同空间位置处超快光场的频域信息。
在一个具体的示例中，分别采用现有测量系统和本发明的超快光场的频域信息获取方法进行对单个空间位置处时间长度为9ns的待测信号进行测试。通过现有测量系统后的仿真结果如图4所示，从图4中可以看出测得的结果其光谱分辨率低，且不具备识别待测信号中连续光部分的能力。本发明的超快光场的频域信息获取方法对应的仿真结果如图5所示，与图4中的结果对比可以看出，本发明的超快光场的频域信息获取方法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。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种超快光场的频域信息获取系统，包括：同步参考脉冲源101、光学分路部件102、时域拉伸色散部件103、光谱分光部件104、第一多通道高速光电转换部件105、时间透镜时频变换光路106、第二多通道高速光电转换部件107和融合终端108；
上述同步参考脉冲源101产生同步参考脉冲信号；上述光学分路部件102将合束后的超快光场信号和同步参考脉冲信号分为第一合束信号和第二合束信号；
时域拉伸色散部件103对第一合束信号进行时域拉伸，实现傅里叶变换，得到时频变换光谱；光谱分光部件104对时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；第一多通道高速光电转换部件105对解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第一频域信息；
时间透镜时频变换光路106对第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，得到初始频域信息；第二多通道高速光电转换部件107对初始频域信息进行光电转换，得到第二频域信息；
融合终端108对准并融合第一频域信息和第二频域信息。
上述融合终端108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。融合终端108可以分别识别第一频域信息和第二频域信息包括的同步参考脉冲信号，根据同步参考脉冲信号对准第一频域信息和第二频域信息，进而融合第一频域信息和第二频域信息，以保证所得到的完整频域信息的准确性。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108可以根据第一频域信息和第二频域信息分别携带的对准标记，对准第一频域信息和第二频域信息。
上述时间透镜时频变换光路106为高刷新率时间透镜时频变换光路，可以针对第二合束信号进行输入端色散处理，施加时域上的周期性二次相位调制实现时间透镜处理，以及进行输出端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。
参考图6所示，待测的超快光场信号与同步参考脉冲源101产生的同步参考脉冲信号合束后，进入光学分路部件102分为第一合束信号和第二合束信号；第一合束信号进入时域拉伸色散部件103得到时域拉伸，实现傅里叶变换，获得时频变换光谱；光谱分光部件104对时频变换光谱进行光谱分光，得到解耦时域交叠信息；第一多通道高速光电转换部件105对解耦时域交叠信息进行光电转换，得到第一频域信息；第二合束信号进入时间透镜时频变换光路106对得到时间透镜时频变换处理，获得初始频域信息，第二多通道高速光电转换部件107对初始频域信息进行光电转换，得到第二频域信息；上述第一频域信息和第二频域信息输入融合终端108后，在融合终端108进行对准、融合便可以得到超快光场信号对应的完整频率信息。
上述超快光场的频域信息获取系统可以包括超快光场信号的时间信息和空间信息的完整频率信息，所获得的完整频率信息能够对超快光场信号进行完整准确地表征。
在一个实施例中，光谱分光部件基于时空对应原理，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过程中，可以求解色散介质的传输方程得到输出信号强度ITSS(t)，以得到所需的多路光信号；其中对积分项作近似处理后得到表达式的过程可以如下所示：
其中，Es(ω)为第一合束信号在频域上的表达式(即时频变换光谱)，ΦTS表示针对第一合束信号进行色散采用的色散参数，i表示虚数单位，t表示时间变量，ω表示频率变量。在高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问题，针对上述问题，可以采用光谱分光方法解耦输出端时域交叠信号，其公式表述过程如下所示：
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，以获得第一频域信息。
在一个实施例中，上述时间透镜时频变换光路包括输入端色散部件、脉冲光源、泵浦端色散部件、高非线性介质、光学滤波器和输出端色散部件；
上述输入端色散部件对输入待测光场(即第二合束信号)施加色散Φin，形成探测光；脉冲光源产生超短脉冲序列作为泵浦脉冲；泵浦端色散部件对泵浦脉冲施加色散，形成泵浦光；高非线性介质为探测光和泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；光学滤波器将非线性参量过程产生的闲频光滤出；输出端色散部件压缩闲频光，在时域上得到连续光部分的初始频域信息。
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。
在一个示例中，在高刷新率时间透镜时频变换光路中，超快光场信号连续光部分的频域测量过程可类比为空间透镜2-f系统的傅里叶变换过程，连续光部分在时间透镜后的像可表示为：
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的泵浦端色散量，符号“∝”表示正比于，i表示虚数单位，As表示连续光部分的光场幅度，ETL(t)表示连续光部分在时间透镜后的像。
ETL(t)在像面上的光场ETLS(t)可以写为：
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。超快光场信号经过高刷新率时间透镜时频变换光路后，在其后每个空间点位置处均设置高速光电转换部件，实现光信号的采集和记录，以获得第二频域信息。
在一个实施例中，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。这样第一合束信号和第二合束信号分别包括的同步参考脉冲信号便不会对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，具有空间复杂性的待测信号(超快光场信号)可以参考图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的超快光场的频域信息获取系统得到的仿真测试结果如图3所示，从图中可以看出，本发明可以获得不同空间位置处超快光场的频域信息。
在一个具体的示例中，分别采用现有测量系统和本发明测量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。通过现有测量系统后的仿真结果如图4所示，从图中可以看出测得的结果其光谱分辨率低，且不具备识别待测信号中连续光部分的能力。通过本发明超快光场的频域信息获取系统后的仿真结果如图5所示，与图4中的结果对比可以看出，本发明的频域信息获取系统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。
本发明利用时间拉伸时频变换技术结合光谱分光方法可以实现超快光场脉冲光分量空间分辨的高频域分辨率频域实时超快测量，同时利用时间透镜时频变换光路配合高速光电转换部件实现超快光场连续光分量空间分辨的高刷新率频域实时超快测量，采用参考同步脉冲对准上述两通道获得的频域信息，最终达到具有空间分辨能力，高刷新率(刷新率大于1GHz)和高频域分辨率(频域分辨率小于1pm)的超快光场频域完整信息的实时超快测量。
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 (10)
1.一种超快光场的频域信息获取方法，其特征在于，所述方法包括：
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，得到第一合束信号和第二合束信号；
获取所述第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息；
获取所述第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息；
根据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，对准所述第一频域信息和所述第二频域信息；
在所述第一频域信息和所述第二频域信息对准之后，融合所述第一频域信息和所述第二频域信息，得到所述超快光场信号的完整频域信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别获取所述第一合束信号中各个空间点处脉冲光部分的第一频域信息包括：
将所述第一合束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，得到所述第一频域信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别获取所述第二合束信号中各个空间点处连续光部分的第二频域信息包括：
对所述第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到所述第二频域信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，对处理后的信号进行光电转换，得到所述第二频域信息包括：
将所述第二合束信号进行输入端色散处理，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输出端色散处理，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。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一色散大小、第二色散大小分别与周期性二次相位调制过程采用的调制参数相等；所述第一色散大小为所述输入端色散处理采用的色散参数；所述第二散大小为所述输出端色散处理采用的色散参数。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述同步参考脉冲信号携带对准标记；
所述根据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，对准所述第一频域信息和所述第二频域信息包括：
根据所述第一频域信息和所述第二频域信息分别携带的对准标记，对准所述第一频域信息和所述第二频域信息。
7.一种超快光场的频域信息获取系统，其特征在于，包括：同步参考脉冲源、光学分路部件、时域拉伸色散部件、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和融合终端；
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超快光场信号和所述同步参考脉冲信号分为第一合束信号和第二合束信号；
所述时域拉伸色散部件对所述第一合束信号进行时域拉伸，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；所述第一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，得到第一频域信息；
所述时间透镜时频变换光路对所述第二合束信号进行时间透镜时频变换处理，得到初始频域信息；所述第二多通道高速光电转换部件对所述初始频域信息进行光电转换，得到所述第二频域信息；
所述融合终端对准并融合所述第一频域信息和所述第二频域信息。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述时间透镜时频变换光路包括输入端色散部件、脉冲光源、泵浦端色散部件、高非线性介质、光学滤波器和输出端色散部件；
所述输入端色散部件对第二合束信号施加色散，形成探测光；所述脉冲光源产生超短脉冲序列作为泵浦脉冲；所述泵浦端色散部件对泵浦脉冲施加色散，形成泵浦光；所述高非线性介质为探测光和泵浦光之间的非线性参量过程提供非线性媒介；所述光学滤波器将非线性参量过程产生的闲频光滤出；所述输出端色散部件压缩闲频光，在时域上得到连续光部分的初始频域信息。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述同步参考脉冲源为皮秒或飞秒脉冲激光器。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述同步参考脉冲源的脉冲重复频率低于所述时间透镜时频变换光路中脉冲光源的脉冲重复频率。
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