CN110274880A - 一种高精度空间分辨的光谱探测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度空间分辨的光谱探测方法和系统。该测量方法包括：多重频脉冲光源生成两组以上具有不同重复频率的光脉冲，其中具有一个重复频率1的光脉冲为激励光，其中具有另一个重复频率2的激光脉冲为本地光；将激励光入射到待测系统中，位于不同空间位置、具有相同或不同光谱响应特性的待测单元对激励光的脉冲产生不同的时间延迟和频谱改变，形成多个子脉冲构成的信号光；本地光和信号光经过光场互相关检测，得到周期性采样信号；根据周期性采样信号中的各个子脉冲对应的时域干涉图样的时频特征，得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性。本发明能够对同时实现对各个待测单元的空间位置与光谱信息的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及光谱探测技术领域，尤其涉及一种高精度空间分辨的光谱探测方法和系统。
背景技术
对由不同待测器件或单元构成的待测系统进行测量的高精度光学传感检测技术在分布式光学传感、光纤布拉格光栅阵列测量、激光雷达乃至光学相干断层扫描等应用中具有重要和广泛的实用价值。
现有技术为了实现对待测多位置目标的位置信息的获取，在光学相干断层扫描和激光雷达等位置信息获取技术中，可采用发射短光脉冲的方式，通过测量脉冲传输的延迟不同，获得不同位置的距离乃至形貌信息。
要实现不同空间位置的光谱响应信息的获取，如在光纤阵列中，均采用时分复用和波分复用两种途径来区分不同空间位置的信号。该种情况下，现有波分复用技术一般采用连续波直流光源或宽谱非相干光源来激励具有不同光谱响应的待测器件，并根据已知的位置与待测器件光谱响应的关系，获取相应位置的光谱响应及其变化。但这并不能直接获得相关器件的实际位置信息。采用时分复用的方法时，所使用的激励脉冲光的脉宽也在纳秒量级，因此待测单元的定位精度在米的量级，同时由于纳秒脉冲的光谱较窄，需要待测单元的光谱响应均在该较窄波段内有响应，才能进行有效测量。限制了波分复用等方式的应用，而且响应的动态范围非常有限。此外，通常对待测单元的频谱信息的获取需要对脉冲进行多次采集平均并不能直接获得。使用飞秒等更窄脉冲的光源可以将定位精度提高至厘米量级以上，但是对超快探测器的要求更加苛刻增加了成本，且难以直接测量超短脉冲之间的传输延迟。
本发明提出，使用多重频脉冲光源生成两组以上具有不同重复频率的飞秒光脉冲，利用两个频率之间的微小的频率差，本地光对经过待测单元后的信号光可以实现高精度时域等效采样，进而可以得到周期性的采样信号。周期性采样信号中的每个周期中包含由不同待测单元产生的多个子脉冲而产生的时域干涉图样，将时域干涉图样进行时频变换，不仅可以将不同子脉冲及其对应的待测单元快速区分开，而且可以根据各个获得的含有精细光谱信息的时域干涉图样分别对相同或不同的单元的光谱响应进行高精度的同时测量。从而可以快速同时得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性，突破现有技术无法同时获得高空间分辨率和光谱测量分辨率的瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种高精度空间分辨的光谱探测方法。
本发明提供了一种高精度空间分辨的光谱探测方法，包括：
步骤1、多重频脉冲光源生成两组以上具有不同重复频率的光脉冲，其中具有一个重复频率1的光脉冲为激励光，其中具有另一个重复频率2的激光脉冲为本地光；
步骤2、将激励光入射到待测系统中，待测系统中位于不同空间位置、具有相同或不同光谱响应特性的待测单元对激励光的脉冲产生不同的时间延迟和频谱改变，形成多个子脉冲构成的信号光，信号光中各子脉冲之间的相对时间延迟由待测单元的相对空间位置决定；
步骤3、本地光和信号光经过光场互相关检测，得到本地光对信号光的周期性采样信号，周期性采样信号的每个周期中包含由多个子脉冲产生的时域干涉图样；
步骤4、对周期性采样信号进行采集处理，根据周期性采样信号中的各个子脉冲对应的时域干涉图样的时域、频域特征，将时域干涉图样进行时频变换，得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性。
在一个示例中，步骤1中，在多重频脉冲光源中，通过包括功率放大、功率控制、脉冲波形变换、偏振控制、光束分路或通过非线性光学过程进行光谱变换的光学处理，获得的激励光的光谱能够覆盖待测系统中所有待测单元的光谱，激励光的最短波长要小于各个待测单元光谱响应中的最短波长，激励光的最长波长要大于各个待测单元光谱响应中的最长波长。
在一个示例中，步骤2中，待测系统中位于不同空间位置、具有相同或不同光谱响应特性的待测单元对激励光的脉冲产生的不同时间延迟和频谱改变。引起时间延迟可以通过反射、透射、散射，或者是不同方式的组合。所产生的频谱变化可以通过反射、透射、散射、非线性光学过程，或者是不同方式的组合。
在一个示例中，步骤2中，激励光经过待测系统后形成的由多个子脉冲构成的信号光中各子脉冲之间的相对时间延迟和光谱不同时发生交叠，不同子脉冲之间可以在相对时间延迟上不同而光谱交叠，也可以光谱不交叠而相对时间延迟相同，也可以光谱和相对时间延迟都不同。
在一个示例中，步骤3中，本地光对多个子脉冲组成的信号光进行采样，得到的周期性采样信号的等效采样时间步长ΔT＝Δf/fp 2，其中Δf为激励光脉冲序列和本地光脉冲序列的重复频率之差，fp为本地光脉冲序列的重复频率。
在一个示例中，步骤4中，对待测单元的相对空间位置的计算公式为d＝vg(ΔτΔf/fp+n/fp)/2，其中d为待测单元相互之间的相对距离，vg为激励光脉冲的群速度，Δf为激励光脉冲序列和本地光脉冲序列的重复频率之差，fp为本地光脉冲序列的重复频率，Δτ为实际测量得到的时域中一个待测单元对应的子脉冲的时域干涉图样与另一个待测单元对应的子脉冲的时域干涉图样之间的测量时间差，n为整数，nvg/fp表示模糊距离。对距离大于vg/fp的情况，可根据已知信息确定n，从而获得待测单元相互之间的相对距离d。根据待测单元相互之间的相对距离从而实现对待测单元的相对空间位置的测量与定位。
在一个示例中，步骤4中，对待测单元的时频响应的获得可以使用相应的算法处理直接得到，算法处理包括但不限于快速卷积、傅里叶变换、傅里叶反变换、短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特变换、希尔伯特-黄变换、正弦曲线拟合、雷克子波匹配、S变换、Cohen类双线性变换、自适应滤波中的一种或多种方法。对于宽谱信号的测量，算法还包括最大似然估计等算法。
在一个示例中，步骤4中，将周期性采样信号中的时域干涉图样进行分段，并对其中的每个时域干涉图样进行快速傅里叶变化可以得到每个待测单元的光谱响应特性。如将待测单元应用于对振动的传感测量，通过监测其响应波长的变化来监测振动特性。也可以分别不同待测单元加载不同的振动，同时实现对所有待测单元的光谱响应检测。如果有多个反射光谱波长相同的待测单元，可以根据不同待测单元的时间延时不同从而实现对不同待测单元的光谱响应特性的探测。如果有多个待测单元的时间延迟相同但是反射光谱波长不同，则可以通过待测单元的光谱不同从而实现对待测单元的空间位置分辨与定位。对周期性采样信号进行频域或时频域联合分析，分析方法可以是快速卷积、傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特变换、希尔伯特-黄变换中的一种或多种方法，将不同待测单元的信号在频域进行分离，然后通过分离后信号的时域分布获得相对时间延迟从而实现对不同待测单元的空间位置分辨与定位。
本发明提供了一种高精度空间分辨的光谱探测系统，包括：
多重频脉冲光源、待测系统、合光器件，光电探测器和数据采集处理单元；其中多重频脉冲光源生成两组以上具有不同重复频率的光脉冲，其中具有一个重复频率1的光脉冲为激励光，其中具有另一个重复频率2的激光脉冲为本地光；待测系统中具有多个待测单元，每个待测单元在激励光的光谱范围内具有相同或不同的光谱响应，激励光入射到待测系统中时，形成多个子脉冲构成的信号光；合光器件将本地光和信号光合为一路，通过光电探测器生成周期性采样信号，周期性采样信号的每个周期中包含由多个子脉冲产生的时域干涉图样；数据采集处理单元根据周期性采样信号中的各个子脉冲对应的时域干涉图样的时域、频域特征，将时域干涉图样进行时频变换，得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性。
多重频脉冲光源是两个以上能分别生成具有不同重复频率激光脉冲的激光器或者一个同时生成两个以上不同重复频率的激光脉冲的激光器。
多重频脉冲光源生成的脉冲的光谱的最短波长小于待测系统中的待测单元的光谱响应特性的最短波长，多重频脉冲光源生成的脉冲的光谱的最长波长大于待测系统中的待测单元的光谱响应特性的最长波长。
待测系统中由于每个待测单元具有不同的空间位置，经过每个待测单元反射、透射或散射后，形成多个子脉冲构成的信号光。
合光器件，将本地光与信号光耦合到一起，合光器件包括光纤耦合器、分光棱镜和分光镜。
光电探测器，将耦合到一起的光信号转换为周期性采样电信号。可以是PIN探测器、APD探测器、太赫兹光电导天线、非线性光学晶体、超导探测器等。
数据采集处理单元，用于对周期性采样信号进行采集处理，根据周期性采样信号中的各个子脉冲对应的时域干涉图样的时域、频域特征，将时域干涉图样进行时频变换，得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性。
在一个示例中，所述的激励脉冲光可以是紫外脉冲光、可见脉冲光、红外脉冲光、太赫兹脉冲光或上述脉冲光种类的组合。其中太赫兹脉冲的产生可以是由光电导产生、光整流、激光气体等离子体、非线性晶体、光学混频、量子级联等方式方法产生。
在一个示例中，所述的待测系统由一系列空间位置分布不完全相同，同时对脉冲激励光具有透射或反射或散射或三者的组合的待测单元组成。
在一个示例中，所述多重频脉冲光源是一个同时生成两个以上不同重复频率的激光脉冲的激光器，多个光脉冲在一个激光器内由于在全部或部分路径上具有不同的空间模式、偏振态、中心波长、脉冲形状、峰值功率或传输方向等特性，由于色散、非线性效应或传输路径不同，产生脉冲的不同传输延时或相位，实现在一个激光器中同时产生具有多个不同重复频率的光脉冲。
在一个示例中，所述多重频脉冲光源是两个以上能分别生成具有不同重复频率激光脉冲的激光器，比如两个具有不同腔长的被动锁模激光器，两个具有不同主动调制频率的主动锁模激光器等。
在一个示例中，所述的数据采集处理单元对信号的采集处理包括对采集到信号的去噪处理，降噪方法包括并不局限于基于小波变换的信号去噪法、基于独立分量分析的信号去噪法、基于经验模式分解的信号去噪法、基于主量分析的信号去噪法、基于相位匹配的信号去噪法。对待测系统中的待测单元的光谱响应的获得可以使用相应的算法处理得到，算法处理包括但不限于快速卷积、傅里叶变换、傅里叶反变换、短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特变换、希尔伯特-黄变换、正弦曲线拟合、雷克子波匹配、S变换、Cohen类双线性变换、自适应滤波中的一种或多种方法。对于宽谱信号的测量，算法还包括最大似然估计等算法。
本发明能够利用多重频脉冲光源进行对待测系统中位于不同空间位置、具有相同或不同光谱响应特性的待测单元进行精准定位与实时的光谱测量。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：
图1是种高精度空间分辨的光谱探测系统的框图；
图2是实例1的系统结构图；
图3是实例1中双重频激光器的结构图；
图4是实例1中双重频激光器的光谱图；
图5是实例1中双重频激光器的频谱图；
图6是实例1中对15个光纤布拉格光栅进行测量得到的时域干涉图样
图7是实例1中由时序干涉图得到的频谱图；
图8是实例1中动态测量结果；
图9是实例2的系统结构图；
图10是实例3的系统结构图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
实例1
本实例系统结构图如图2所示。双波长脉冲激光器作为双重频脉冲光源，发出具有不同波长和重频的脉冲光，经过滤波器1与光放大器的放大实现了光谱的展宽与滤波，分别形成激励光和本地光，激励光与本地光的光谱范围覆盖了待测系统中每个待测单元的光谱响应。本实例中的待测系统为由15个在光纤上不等间距分布的光纤布拉格光栅(FBG)串联组成的传感阵列，待测单元就是各个FBG。激励光经过传感阵列的反射后形成信号光，由于15个FBG对激励光的延迟不一样，所以信号光的每个周期内包含15个子脉冲，信号光和本地光分别输入到5/5耦合器的两个输入端口，5/5耦合器的输出光被平衡探测器检测，本地光对信号光的周期性采样信号，经过模数转换采集卡，将周期电信号采集下来，并进行后续处理，同时得到15个FBG的响应光谱和在光纤上的空间分布。
本实例中，双重频脉冲光源为一个双波长脉冲激光器，该激光器只包括一个谐振腔，由于激光器内存在滤波效应，同时生成两个波长的光脉冲，由于两个脉冲光的光谱中心波长不同，由于光谐振腔具有色度色散，所以两个脉冲光的重复频率不同。本实例中，双波长脉冲激光器结构如图3所示，激光器由泵浦激光管、波分复用器、光隔离器、掺饵光纤、碳纳米管饱和吸收体、带保偏尾纤的在线起偏器、光耦合器、偏振控制器组成。其中器件连接顺序可以改变。在双波长脉冲激光器中，碳纳米管饱和吸收体为锁模器件，实现被动锁模；偏振控制器和在线起偏器可以实现周期性滤波，所以可以实现双波长的脉冲输出。
本实例中，双波长脉冲激光器同时生成的两个具有不同重频的脉冲光的光谱如图4所示。两个脉冲光的中心波长分别为λ1＝1533.25nm，λ2＝1543.28nm，两个峰的谱宽分别为3.5nm和BW2＝2.5nm，中心波长差Δλ12＝0.975nm。设光谱上中心波长为λ1的峰对应的脉冲光的重复频率是f1，中心波长为λ2的峰对应的脉冲光的重复频率是f2。在本实例中，双波长脉冲激光器谐振腔内的总色散为反常色散，有f1<f2。采用光电探测器和频谱仪观测到的激光器输出光的频谱如图5所示，可见两个不同波长对应的脉冲光的重复频率分别为f1＝53.037127MHz，f2＝53.035972MHz，重复频率差分别为Δf12＝1155Hz。
周期性采样信号如图6所示，每个周期包含15个FBG对应的时域干涉图样。将周期性采样信号中的时域干涉图样进行分段，并对其中的每个时域干涉图样进行快速傅里叶变化可以得到每个FBG的光谱响应特性，图7为得到的其中1个FBG的反射光谱。如将FBG应用于对振动的传感测量，也就是FBG的响应波长随着环境振动发生变化，通过监测其响应波长的变化来监测振动特性。图8为对其中一个FBG加载150Hz的振动时，其响应波长随时间的变化曲线。也可以分别对15个FBG加载不同的振动，同时实现对所有FBG的光谱响应检测。如果有多个反射光谱波长相同的FBG，可以根据不同FBG的时间延时不同从而实现对不同FBG的光谱响应特性的探测。
如果有多个FBG的时间延迟相同但是反射光谱波长不同，则可以通过FBG的光谱不同从而实现对FBG的分辨。对周期性采样信号进行频域或时频域联合分析，分析方法可以是快速卷积、傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特变换、希尔伯特-黄变换中的一种或多种方法，将不同FBG的信号在频域进行分离，然后通过分离后信号的时域分布获得相对时间延迟从而实现对不同FBG的空间位置分辨与定位。
通过图6的周期性采样信号中各时域干涉图样之间的相对时间间隔的计算可以实现对相应待测单元(本实例中为FBG)相对空间位置的测量与定位，其原理简述如下：对待测单元的相对空间位置的计算公式为d＝vg(ΔτΔf/fp+n/fp)/2，其中d为待测单元相互之间的相对距离，vg为激励光脉冲的群速度，Δf为激励光脉冲序列和本地光脉冲序列的重复频率之差，fp为本地光脉冲序列的重复频率，Δτ为实际测量得到的时域中一个待测单元对应的子脉冲的时域干涉图样与另一个待测单元对应的子脉冲的时域干涉图样之间的测量时间差，n为整数，nvg/fp表示模糊距离。对距离大于vg/fp的情况，可根据已知信息确定n，从而获得待测单元相互之间的相对距离d。根据待测单元相互之间的相对距离从而实现对待测单元的相对空间位置的测量与定位。
在实例1中待测系统还可以是由一系列反射谱相同的待测单元组成同时待测单元之间的时间延迟完全不同，还可以是反射谱不同的待测单元组成同时待测单元之间的延迟不完全相相同或完全不同，激励光经过上述待测系统后得到信号光中各子脉冲之间在时间和光谱上不发生同时的交叠。
实例2
采用双重频脉冲激光器作为多重频脉冲光源实现对折射率均匀分布的样品中异质物的反射式检测如图9所示。双重频脉冲激光器输出的两个波长接近，但具有正交偏振的双重频脉冲，由于激光腔内存在具有双折射的器件，所以具有正交偏振的两个脉冲光具有不同的重复频率。双重频脉冲光经过偏振分束器分开后的光脉冲经过偏振分光器件后分开，其中一个脉冲光作为激励光入射到样品中通过样品反射形成信号光，和作为本地光的另一个脉冲光在光耦合器中耦合在一起，共同入射到探测器得到周期性采样信号。经过数据采集处理单元，可以得到样品不同位置的反射光谱，这是由于脉冲光在生物体组织中的传播由于入射到样品不同深度的脉冲到达探测器时会产生不同的时间延迟，因此所得到的周期性采样信号中不同位置的时域干涉图样反映了不同的深度位置。如果生物组织中出现了异质物，异质物所对应时域干涉图像解算出的反射光谱必然会出现反常。根据这一原理可以实现对样品中异质物的检测和定位。
在实例2中采用双重频脉冲激光器作为多重频脉冲光源，多重频脉冲光源还可以是一个同时生成两个以上不同重复频率的激光脉冲的激光器，多个光脉冲在一个激光器内由于在全部或部分路径上具有不同的空间模式、偏振态、中心波长、脉冲形状、峰值功率或传输方向等特性，由于色散、非线性效应或传输路径不同，产生脉冲的不同传输延时或相位，实现在一个谐振腔中同时产生具有多个不同重复频率的光脉冲。
在实例2中激励光脉冲可以为紫外脉冲光、可见脉冲光、红外脉冲光、太赫兹脉冲光或上述脉冲光种类的组合。其中太赫兹脉冲的产生可以是由光电导产生、光整流、激光气体等离子体、非线性晶体、光学混频、量子级联等方式方法产生。太赫兹的探测可以是PIN探测器、APD探测器、太赫兹光电导天线、非线性光学晶体、超导探测器等。
实例3
采用两个具有不同重复频率的主动锁模光纤激光器实现对大气层中不同高度所包含气体成分的散射式检测，系统结构如图10所示。两个具有不同重复频率的主动锁模光纤激光器中其中一个激光器发出的脉冲光作为激励光，另一个激光器发出的脉冲光作为本地光。激励光发射到大气中，经过大气层的散射后形成信号光，和作为本地光的另一个脉冲光在光耦合器中耦合在一起，共同入射到探测器得到周期性采样信号。经过数据采集处理单元，可以得到大气层的位置分辨的散射光谱，这是由于脉冲光在大气中传播时由于大气层的高度不同大气对脉冲光的散射程度不同会导致散射信号到达探测器时会产生不同的时间延迟与强度差异，因此所得到的周期性采样信号中不同位置的时域干涉图样反映了不同的大气层高度。对周期信号中的干涉信号进行分块傅里叶变换就可以获得不同高度大气层的散射谱。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度空间分辨的光谱探测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、多重频脉冲光源生成两组以上具有不同重复频率的光脉冲，其中具有一个重复频率1的光脉冲为激励光，其中具有另一个重复频率2的激光脉冲为本地光；
步骤2、将激励光入射到待测系统中，待测系统中位于不同空间位置、具有相同或不同光谱响应特性的待测单元对激励光的脉冲产生不同的时间延迟和频谱改变，形成多个子脉冲构成的信号光，信号光中各子脉冲之间的相对时间延迟由待测单元的相对空间位置决定；
步骤3、本地光和信号光经过光场互相关检测，得到本地光对信号光的周期性采样信号，周期性采样信号的每个周期中包含由多个子脉冲产生的时域干涉图样；
步骤4、对周期性采样信号进行采集处理，根据周期性采样信号中的各个子脉冲对应的时域干涉图样的时域、频域特征，将时域干涉图样进行时频变换，得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性。
2.如权利要求1所述的高精度空间分辨的光谱探测方法，其特征在于，多重频脉冲光源生成的脉冲的光谱覆盖待测系统中的待测单元的光谱响应特性的光谱范围。
3.如权利要求1所述的高精度空间分辨的光谱探测方法，其特征在于，信号光中各子脉冲之间在时间和光谱上不发生同时的交叠。
4.如权利要求1所述的高精度空间分辨的光谱探测方法，其特征在于，将周期性采样信号每个周期中的时域干涉图样根据时间位置进行分段，每段中包含一个时域干涉图样，通过对该时域干涉图样的频谱分析获得所对应待测单元的光谱响应特性。
5.一种高精度空间分辨的光谱探测系统，其特征在于，包括多重频脉冲光源、待测系统、合光器件、光电探测器和数据采集处理单元；其中多重频脉冲光源生成两组以上具有不同重复频率的光脉冲，其中具有一个重复频率1的光脉冲为激励光，其中具有另一个重复频率2的激光脉冲为本地光；待测系统中具有多个待测单元，每个待测单元在激励光的光谱范围内具有相同或不同的光谱响应，激励光入射到待测系统中时，形成多个子脉冲构成的信号光；合光器件将本地光和信号光合为一路，通过光电探测器生成周期性采样信号，周期性采样信号的每个周期中包含由多个子脉冲产生的时域干涉图样；数据采集处理单元根据周期性采样信号中的各个子脉冲对应的时域干涉图样的时域、频域特征，将时域干涉图样进行时频变换，得到各时域干涉图样所对应的待测单元的空间位置和光谱响应特性。
6.如权利要求5所述的高精度空间分辨的光谱探测系统，其特征在于，多重频脉冲光源是两个以上能分别生成具有不同重复频率激光脉冲的激光器或者一个同时生成两个以上不同重复频率的激光脉冲的激光器。
7.如权利要求5所述的高精度空间分辨的光谱探测系统，其特征在于，入射到待测系统的激励光的光谱的最短波长小于待测系统中的待测单元的光谱响应特性的最短波长，入射到待测系统的激励光的光谱的最长波长大于待测系统中的待测单元的光谱响应特性的最长波长。
8.如权利要求5所述的高精度空间分辨的光谱探测系统，其特征在于，待测系统中由于每个待测单元具有不同的空间位置，经过每个待测单元反射、透射或散射后，形成多个子脉冲构成的信号光。
9.如权利要求5所述的高精度空间分辨的光谱探测系统，其特征在于，合光器件将泵浦光和信号光耦合在一起，合光器件包括光纤耦合器、分光棱镜和分光镜。
10.如权利要求5所述的高精度空间分辨的光谱探测系统，其特征在于，激励光脉冲为紫外、可见、红外或太赫兹脉冲。
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