CN112539823B - 一种超快时间复振幅测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种超快时间复振幅测量装置和方法，脉冲光源发出脉冲光经过光束延迟分束器模块分为多路脉冲光，多路脉冲光形成不同时间段的脉冲序列照射在超快变化的物体上，然后光束经过波前调制器模块进行调制后传播到达光强探测器。利用控制及数据处理模块对光强探测器记录的光斑进行迭代运算，可以获得待测物体不同时刻的复振幅分布。本发明可以测量超快事件不同时刻的光场复振幅分布。

Description

一种超快时间复振幅测量装置和方法

技术领域

本发明涉及ns到fs时间尺度超快变化透射型物体的复振幅测量，特别是不可重复再现的超快变化事件发生过程的复振幅测量。

背景技术

研究不可再生或者很难发生超快现象的探测，对于基础物理机理的研究具有重要的作用。然而利用多次重复测量的方法很难对此类现象进行完整且高效的测量。传统的高速相机成像技术，利用相机采集帧率的提升进行超快现象的探测，但是这种技术受电子硬件的限制很难达到超快现象测量的需求而且不能得到超快现象的相位。另外一种比较广泛的方法是利用离轴数字全息技术对不可再生或者很难发生超快现象的振幅和相位同时进行测量(T.Kakue,K.Tosa,J.Yuasa,T.Tahara,Y.Awatsuji,K.Nishio,S.Ura,andT.Kubota,“Digital light-in-flight recording by holography by use ofafemtosecond pulsed laser,”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.18,479–485(2012).)，此方法利用超短脉冲形成相应时间分辨的参考光和信号光，需要一个较理想的参考光才能得到比较好的恢复效果，因此其应用受到限制。对于飞秒宽光谱的光源有相关技术利用角度分光谱的方法(Nakagawa,K.,Iwasaki,A.,Oishi,Y.et al.Sequentiallytimed all-optical mapping photography(STAMP).Nature Photon 8,695–700(2014).)，将飞秒宽带光源按波长分为不同时间延迟的脉冲序列，最后在成像面探测到不同时间段的光强分布，此方法测量时间尺度被限制在百飞秒量级，对于ns尺度的超快事件很难进行有效测量，并且此方法也不能对超快事件的相位进行测量。因此在测量超快现象方面需要更全面有效的测量技术对其振幅和相位进行测量。

发明内容

本发明针对超快现象测量面对的问题，提出一种超快时间复振幅恢复技术。由相干衍射成像方法发展出的相干调制方法可以有效解决以上技术在不可再生或者很难发生超快现象的复振幅测量方面所受的限制。多状态单次曝光的复振幅恢复技术可以有效利用光强探测器的曝光靶面，可以同时将超快变化事件的多个时间段的复振幅分布从一幅光强衍射光斑中有效地恢复成像。

本发明的技术解决方案如下:

一种超快时间复振幅测量装置，特点在于包括：

脉冲激光器模块，用于输出脉冲宽度在分别在ns、ps或fs量级的脉冲光束；

光束延迟分束器模块，用于将入射光分为不同角度不同时间段的脉冲序列光，并使各个脉冲入射到待测物体；

波前调制器模块，用于对待测物体的出射光束进行波前调制；

光强探测器模块，用于记录一幅衍射光斑并将其传输至控制及数据处理模块；

控制及数据处理模块用于记录衍射光斑并对数据进行算法处理；

触发线，用于连接所述的脉冲激光器模块和光强探测器模块，确保脉冲激光器模块发出光束的同时，光强探测器记录对应的光强分布。

脉冲激光器模块可以为ns脉冲激光器、ps脉冲激光器、fs脉冲激光器三种形式。

光束延迟分束器模块可以为以下三种装置：

①光纤延迟分束装置，包括空间光耦合器、光纤分束器、光纤、光纤接头和准直透镜。空间脉冲光束经过空间光耦合器耦合入光纤中，连接光纤分束器后分为多路脉冲光束，各路脉冲光束经过不同长度的光纤后形成具有不同时间延迟的脉冲序列，后面经过准直透镜，每一个脉冲光变为不同角度的近似平行光束，将此脉冲序列作为超快时间复振幅测量装置中照明待测物体的照明光。

②空间延迟分束装置，包括第一部分反射镜，第二部分反射镜，第三部分反射镜，第四部分反射镜，第五部分反射镜，第六部分反射镜，用此装置可以作为超快时间复振幅测量装置中的光束延迟分束器模块中的一种情况。脉冲激光器发出的空间光束经过多个部分反射镜形成具有多个不同时间延迟的脉冲光的脉冲序列。第一个脉冲的形成过程：脉冲激光器发出光束经过第一部分反射镜反射，然后经过第六部分反射镜反射，反射光作为脉冲序列的第一个脉冲。第二个脉冲形成过程：脉冲激光器发出光束经过第一部分反射镜，先后经过第二部分反射镜和第五部分反射镜的反射，最后经过第六部分反射镜形成的透射光作为脉冲序列的第二个脉冲。第三个脉冲形成过程：脉冲激光器发出光束先后经过第一部分反射镜和第二部分反射镜，然后先后经过第三部分反射镜和第四部分反射镜的反射，最后先后经过第五部分反射镜和第六部分反射镜，形成的透射光作为脉冲序列的第三个脉冲。按照这种方式，根据待测物体时间变化范围和脉冲激光器的脉冲宽度，设定一定数量nt个脉冲，形成一组脉冲序列，此脉冲序列作为超快时间复振幅测量装置中照明待测物体的照明光。

③光谱分光延迟分束装置，包括反射镜，第一反射光栅，准直透镜，空间光调制器，聚焦透镜，用此装置可以作为超快时间复振幅测量装置中的光束延迟分束器模块中的一种情况。该装置要求输入脉冲光是宽光谱啁啾光束，超短脉冲激光器发出的脉冲光束以一定角度入射到第一反射光栅后经过色散将不同波长的光束部分在一维空间散射至不同方向，然后经过准直透镜将光束准直为平行光束，空间光调制器将此光束进行空间滤波选取需要的波长部分，不同波长对应不同的测量时段。然后经过聚焦透镜聚焦，光束以一定角度形成含有多个脉冲对应不同波长的脉冲序列，此脉冲序列作为超快时间复振幅测量装置中照明待测物体的照明光。

波前调制器模块可以为以下几种情况

①二元台阶相位波前调制器。②三元台阶相位波前调制器。③十元台阶相位波前调制器。④连续相位调制器或者连续振幅相位调制器，例如全息散射片。⑤纯振幅型波前调制器

基于以上所述的装置可以实现对超快变化物体的复振幅进行测量的方法，特点在于该方法包括下列步骤：

(1)数据记录表示形式：光强探测器记录的是脉冲序列中各个脉冲光强|A_nt|²的总和，表示为：

结果为每一光束在光强探测器平面的强度叠加。其中n为脉冲序列中光束总的数量，nt为脉冲序列中光束的编号，nt＝1,2,3…n。

(2)数据处理方法：该方法需要提前标定脉冲序列中每一个脉冲通过待测物体后其傅里叶变换基频即能量集中区域的位置或者光束传播过程中某一焦点(焦点可以为实焦点和虚焦点)的位置(x_nt,y_nt)，并且需要提前标定某一波长λ波前调制器模块的透过率复振幅函数T_λ。

控制及数据处理模块首先对第nt个脉冲经过待测物体后的复振幅透过率

进行随机初始猜测为：

Oguess_nt＝A_nt*(rand(m,n)*exp(i*rand(m,n)*π))_nt

其中A_nt为第nt个脉冲的振幅系数，rand(m,n)为产生m行n列的随机矩阵，m和n分别是光强探测器记录数据矩阵的行和列。将待测物体与波前调制器模块之间的距离记为L1,波前调制器模块与光强探测器之间的距离记为L2。算法的迭代过程分为正向传播和反向传播过程两部分(正向表示为物体到光强探测器方向，反之为反向)：

①正向传播过程：Oguess_nt通过光束传播方法，如角谱传播方程，菲涅尔传播方程，传播至波前调制器模块的波前表达式为：

其中

为距离L1的光束正向传播过程。经过波前调制器模块后的光束波前分布变为：Oback_nt＝Opre_nt*T_λ，其中T_λ为波长λ下波前调制器模块对应的透过率复振幅函数。通过传播方程，将Oback_nt传播至光强探测器平面，得到：

其中

为距离L2的光束正向传播过程。用光强探测器记录的光强分布矩阵I_nt和多状态波前更新公式得到更新后的各个脉冲的复振幅分布为：

此外利用以下式子计算误差函数，来判断迭代次数

当误差函数达到预期时结束迭代。

②反向传播过程：对G'_nt回传到波前调制器模块后平面得到光束波前分布为

其中

为距离L2的光束反向传播过程。利用以下更新公式得到更新后的波前调制器模块(4)之前的照明光：

Opre'_nt＝Opre_nt+conj(T)/max(conj(T)*T)*(Oback'_nt-Oback_nt)，

其中conj(T)表示对T矩阵取共轭，max(conj(T)*T)为对矩阵conj(T)*T求最大值。对Opre'_nt逆向传播得到在待测物体面处更新后的各脉冲波前复振幅分布

其中

为距离L1的光束反向传播过程。当提前标定的(x_nt,y_nt)为透过待测物体后各个脉冲的复振幅透过率的傅里叶变换基频即能量集中区域的位置时：需要对Oguess'_nt进行傅里叶变换后，并对其频谱进行孔径限制，得到被限制之后频谱分布为

其中

为傅里叶变换操作，hole(x_nt，y_nt)为在(x_nt,y_nt)位置所加的孔径限制，孔径的大小随着迭代次数不断变大，然后对fguess_nt进行傅里叶逆变换可以得到更新后的各脉冲的复振幅分布为：

其中

为傅里叶逆变换过程。当提前标定的(x_nt,y_nt)为光束传播过程中某一焦点的位置时，这里称与光轴垂直并过焦点的平面为焦平面，将各脉冲光束利用传播方程传播至焦平面处并进行口径限制得到：

其中L3为待测物体面与焦平面之间的距离，

表示正向传播L3距离的传播过程，孔径hole(x_nt，y_nt)也是随迭代次数的增大而变大。然后将被限制后的波前复振幅分布回传至待测物体面得到更新后各脉冲光束复振幅分布：

其中

表示正向传播L3距离的逆传播过程。

将①正向传播过程中的Oguess_nt替换为Fguess_nt并进行下一次循环过程，直到误差函数中RMS达到预期目标后结束循环，从而得到各个脉冲对应时间段待测物体的复振幅分布。

与现有技术相比本发明的技术效果：

(1)装置经过一次校准后便可以多次对不同的超快时间变化物体进行测量，适用性强。

(2)利用一幅光强探测器记录的衍射光斑可以得到脉冲序列中不同脉冲的时间段对应的超快时间变化物体的透过率振幅和相位分布。

附图说明

图1.超快时间复振幅测量装置示意图

图2.光纤延迟分束超快时间复振幅测量装置示意图

图3.空间延迟分束超快时间复振幅测量装置示意图

图4.光谱分光延迟分束超快时间复振幅测量装置示意图

具体实施方式

针对不同的分束方式，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

超快时间复振幅测量装置实施例1

如图1所示，一种超快时间复振幅测量装置，包括：脉冲激光器模块1、光束延迟分束器模块2、待测物体3、波前调制器模块4、光强探测器模块5、控制及数据处理模块6，触发线7。脉冲激光器模块1的光束经过光束延迟分束器模块2后分为不同角度不同时间段的脉冲序列，各个脉冲依次经过待测物体3，随后经过波前调制器模块4，传播一段距离后到达光强探测器5，光强探测器5记录一幅衍射光斑并将其存储于控制及数据处理模块6中。在光斑记录的过程中，脉冲激光器模块1与光强探测器模块5通过触发线7进行连接，保证脉冲激光器模块1发出光束的同时，光强探测器5可以及时记录对应的光强分布。

该实施例中脉冲激光器模块1设定为波长1053nm，脉宽7ns的脉冲激光器，经过倍频晶体产生波长为532nm的脉冲光束。

该实施例中光束延迟分束器模块2的形式设定为一种光纤延迟分束装置，如图2所示其结构组成包括空间光耦合器8、光纤分束器9、光纤10、光纤接头11和准直透镜12，用此装置可以作为图1超快时间复振幅测量装置中的光束延迟分束器模块2中的一种情况。空间脉冲光束经过空间光耦合器8耦合入光纤中，连接光纤分束器9后分为多路脉冲光束，各路脉冲光束经过不同长度的光纤10后形成具有不同时间延迟的脉冲序列，后面经过准直透镜12，每一个脉冲光变为不同角度的近似平行光束，将此光束作为图1超快时间复振幅测量装置中照明待测物体3的照明光。各路脉冲光束经过不同长度的光纤10后形成脉冲序列，其在光强探测器模块10中记录的光强为脉冲序列中各个脉冲光束在光强探测器面的光强|A_nt|²的总和，表示为

其中n为脉冲序列中光束总的数量，nt为脉冲序列中光束的编号，nt＝1,2,3…n。

该实施例中波前调制器模块4设定为二元台阶相位波前调制器，相位延迟量为0或者π，基元尺寸为随机分布，最小基元尺寸为5微米×5微米。

超快时间复振幅测量装置实施例2

如图1所示，一种超快时间复振幅测量装置，包括：脉冲激光器模块1、光束延迟分束器模块2、待测物体3、波前调制器模块4、光强探测器模块5、控制及数据处理模块6，触发线7。脉冲激光器模块1的光束经过光束延迟分束器模块2后分为不同角度不同时间段的脉冲序列，各个脉冲依次经过待测物体3，随后经过波前调制器模块4，传播一段距离后到达光强探测器模块5，光强探测器模块5记录一幅衍射光斑并将其存储于控制及数据处理模块6中。在光斑记录的过程中，脉冲激光器模块1与光强探测器模块5通过触发线7进行连接，保证脉冲激光器模块1发出光束的同时，光强探测器模块5可以及时记录对应的光强分布。

该实施例中脉冲激光器模块1设定为波长1053nm，脉宽5ps的脉冲激光器，经过倍频晶体产生波长为532nm的脉冲光束。

该实施例中光束延迟分束器模块2设定为一种空间延迟分束装置，如图3所示其结构组成包括第一部分反射镜13，第二部分反射镜14，第三部分反射镜15，第四部分反射镜16，第五部分反射镜17，第六部分反射镜18，用此装置可以作为图1超快时间复振幅测量装置中的光束延迟分束器模块2中的一种情况。脉冲激光器模块1发出的空间光束经过多个部分反射镜形成具有多个不同时间延迟的脉冲光的脉冲序列。第一个脉冲的形成过程：脉冲激光器模块1发出光束经过第一部分反射镜13反射，然后经过第六部分反射镜14反射，反射光作为脉冲序列的第一个脉冲。第二个脉冲形成过程：脉冲激光器模块1发出光束经过第一部分反射镜13，先后经过第二部分反射镜14和第五部分反射镜17的反射，最后经过第六部分反射镜18形成的透射光作为脉冲序列的第二个脉冲。第三个脉冲形成过程：脉冲激光器模块1发出光束先后经过第一部分反射镜13和第二部分反射镜14，然后先后经过第三部分反射镜15和第四部分反射镜的反射16，最后先后经过第五部分反射镜17和第六部分反射镜18，形成的透射光作为脉冲序列的第三个脉冲。按照这种方式，根据待测物体3时间变化范围和脉冲激光器模块1的脉冲宽度，设定一定数量nt个脉冲，形成一组脉冲序列，此脉冲序列作为图1超快时间复振幅测量装置中照明待测物体3的照明光。其在光强探测器模块5中记录的光强为脉冲序列中各个脉冲光束在光强探测器面的光强|A_nt|²的总和，表示为

其中n为脉冲序列中光束总的数量，nt为脉冲序列中光束的编号，nt＝1,2,3…n。

该实施例中波前调制器模块4设定为三元台阶相位波前调制器，相位延迟量为0、π/2或者π，基元尺寸为随机分布，最小基元尺寸为5微米×5微米。

超快时间复振幅测量装置实施例3

如图1所示，一种超快时间复振幅测量装置，包括：脉冲激光器模块1、光束延迟分束器模块2、待测物体3、波前调制器模块4、光强探测器模块5、控制及数据处理模块6，触发线7。脉冲激光器模块1的光束经过光束延迟分束器模块2后分为不同角度不同时间段的脉冲序列，各个脉冲依次经过待测物体3，随后经过波前调制器模块4，传播一段距离后到达光强探测器模块5，光强探测器模块5记录一幅衍射光斑并将其存储于控制及数据处理模块6中。在光斑记录的过程中，脉冲激光器模块1与光强探测器模块5通过触发线进行连接，保证脉冲激光器模块1发出光束的同时，光强探测器模块5可以及时记录对应的光强分布。

该实施例中脉冲激光器模块1设定为光谱范围在750nm-950nm，脉宽为100fs的脉冲激光器。

该实施例中光束延迟分束器模块2设定为一种光谱分光延迟分束装置，如图4所示其结构组成包括反射镜19，第一反射光栅20，准直透镜21，空间光调制器22，聚焦透镜23，用此装置可以作为图1超快时间复振幅测量装置中的光束延迟分束器模块2中的一种情况。该装置要求输入脉冲光是宽光谱啁啾光束，超短脉冲激光器发出的脉冲光束以一定角度入射到第一反射光栅20后经过色散将不同波长的光束部分在一维空间散射至不同方向，然后经过准直透镜21将光束准直为平行光束，空间光调制器22将此光束进行空间滤波选取需要的波长部分，不同波长对应不同的测量时段。然后经过聚焦透镜聚焦，光束以一定角度形成含有多个脉冲对应不同波长的脉冲序列，此脉冲序列作为图1超快时间复振幅测量装置中照明待测物体3的照明光。其在光强探测器模块5中记录的光强为脉冲序列中各个脉冲光束在光强探测器面的光强|A_nt|²的总和，表示为

其中n为脉冲序列中光束总的数量，nt为脉冲序列中光束的编号，nt＝1,2,3…n。

该实施例中波前调制器模块4设定为连续相位调制器或者连续振幅相位调制器，例如全息散射片。

基于以上三种延迟分束装置的超快时间复振幅测量装置实施例得到每个光束光强衍射斑的叠加

可以利用以下处理方法得到待测物体3表面出射光的复振幅分布。

数据处理方法：该方法需要提前标定脉冲序列中每一个脉冲通过待测物体3后其傅里叶变换基频即能量集中区域的位置或者光束传播过程中某一焦点(焦点可以为实焦点和虚焦点)的位置(x_nt,y_nt)，并且需要提前标定某一波长λ波前调制器4的透过率复振幅函数T_λ。

控制及数据处理模块6首先对第nt个脉冲经过待测物体3后的复振幅透过率

进行随机初始猜测为：

Oguess_nt＝A_nt*(rand(m,n)*exp(i*rand(m,n)*π))_nt

其中A_nt为第nt个脉冲的振幅系数，rand(m,n)为产生m行n列的随机矩阵，m和n分别是光强探测器记录数据矩阵的行和列。将待测物体3与波前调制器模块4之间的距离记为L1,波前调制器模块4与光强探测器5之间的距离记为L2。算法的迭代过程分为正向传播和反向传播过程两部分(正向表示为物体到光强探测器方向，反之为反向)：

①正向传播过程：Oguess_nt通过光束传播方法，如角谱传播方程，菲涅尔传播方程，传播至波前调制器模块4的波前表达式为：

其中

为距离L1的光束正向传播过程。经过波前调制器模块4后的光束波前分布变为：Oback_nt＝Opre_nt*T_λ，其中T_λ为波长λ下波前调制器模块4对应的透过率复振幅函数。通过传播方程，将Oback_nt传播至光强探测器5平面，得到：

其中

为距离L2的光束正向传播过程。用光强探测器5记录的光强分布矩阵I_nt和多状态波前更新公式得到更新后的各个脉冲的复振幅分布为：

此外利用以下式子计算误差函数，来判断迭代次数：

当误差函数达到预期时结束迭代。

②反向传播过程：对G'_nt回传到波前调制器模块4后平面得到光束波前分布为

其中

为距离L2的光束反向传播过程。利用以下更新公式得到更新后的波前调制器模块4之前的照明光：

Opre'_nt＝Opre_nt+conj(T)/max(conj(T)*T)*(Oback'_nt-Oback_nt)，

其中conj(T)表示对T矩阵取共轭，max(conj(T)*T)为对矩阵conj(T)*T求最大值。对Opre'_nt逆向传播得到在待测物体3面处更新后的各脉冲波前复振幅分布

其中

为距离L1的光束反向传播过程。当提前标定的(x_nt,y_nt)为透过待测物体3后各个脉冲的复振幅透过率的傅里叶变换基频即能量集中区域的位置时：需要对Oguess'_nt进行傅里叶变换后，并对其频谱进行孔径限制，得到被限制之后频谱分布为

其中

为傅里叶变换操作，hole(x_nt，y_nt)为在(x_nt,y_nt)位置所加的孔径限制，孔径的大小随着迭代次数不断变大，然后对fguess_nt进行傅里叶逆变换可以得到更新后的各脉冲的复振幅分布为：

其中

为傅里叶逆变换过程。当提前标定的(x_nt,y_nt)为光束传播过程中某一焦点的位置时，这里称与光轴垂直并过焦点的平面为焦平面，将各脉冲光束利用传播方程传播至焦平面处并进行口径限制得到：

其中L3为待测物体3面与焦平面之间的距离，

表示正向传播L3距离的传播过程，孔径hole(x_nt，y_nt)也是随迭代次数的增大而变大。然后将被限制后的波前复振幅分布回传至待测物体3面得到更新后各脉冲光束复振幅分布：

其中

表示正向传播L3距离的逆传播过程。

将①正向传播过程中的Oguess_nt替换为Fguess_nt并进行下一次循环过程，直到误差函数中RMS达到预期目标后结束循环，从而得到各个脉冲对应时间段待测物体3的复振幅分布。

Claims (8)

1.一种超快时间复振幅测量装置，其特征在于，包括：

脉冲激光器模块(1)，用于输出脉冲宽度在分别在ns、ps或fs量级的脉冲光束；

光束延迟分束器模块(2)，用于将入射光分为不同角度不同时间段的脉冲序列光，并使各个脉冲入射到待测物体(3)；

波前调制器模块(4)，用于对待测物体(3)的出射光束进行波前调制；

光强探测器模块(5)，用于记录一幅衍射光斑并将其传输至控制及数据处理模块(6)；

控制及数据处理模块(6)，用于记录衍射光斑并对数据进行算法处理；

触发线(7)，用于连接所述的脉冲激光器模块(1)和光强探测器模块(5)，确保脉冲激光器模块(1)发出光束的同时，光强探测器(5)记录对应的光强分布；

所述算法处理包括：

标定脉冲序列中每一个脉冲通过待测物体(3)后其傅里叶变换基频即能量集中区域的位置或者光束传播过程中某一焦点的位置(x_nt,y_nt)；

标定某一波长λ波前调制器模块(4)的透过率复振幅函数T_λ；

控制及数据处理模块(6)对第nt个脉冲经过待测物体(3)后的复振幅透过率

进行随机初始猜测为：

Oguess_nt＝A_nt*(rand(m,n)*exp(i*rand(m,n)*π))_nt

其中，A_nt为第nt个脉冲的振幅系数，rand(m,n)为产生m行n列的随机矩阵，m和n分别是光强探测器模块(5)记录数据矩阵的行和列；

将待测物体(3)与波前调制器模块(4)之间的距离记为L1,波前调制器模块(4)与光强探测器模块(5)之间的距离记为L2；

算法的迭代过程分为正向传播过程和反向传播过程二部分：

①正向传播过程，即待测物体到光强探测器模块(5)的过程：Oguess_nt传播至波前调制器模块(4)的波前表达式为：

其中

为距离L1的光束正向传播过程；经过波前调制器模块后的光束波前分布变为：Oback_nt＝Opre_nt*T_λ，其中T_λ为波长λ下波前调制器模块对应的透过率复振幅函数；通过传播方程，将Oback_nt传播至光强探测器模块(5)平面，得到：

其中

为距离L2的光束正向传播过程；用光强探测器模块(5)记录的光强分布矩阵I_nt和多状态波前更新公式得到更新后的各个脉冲的复振幅分布为：

利用以下式子计算误差函数，来判断迭代次数

当误差函数达到预期时结束迭代；

②反向传播过程，即光强探测器模块(5)到待测物体的过程：对G'_nt回传到波前调制器模块(4)后平面得到光束波前分布为

其中

为距离L2的光束反向传播过程；利用以下更新公式得到更新后的波前调制器模块(4)之前的照明光：

Opre'_nt＝Opre_nt+conj(T)/max(conj(T)*T)*(Oback'_nt-Oback_nt)，

其中conj(T)表示对T矩阵取共轭，max(conj(T)*T)为对矩阵conj(T)*T求最大值；对Opre'_nt逆向传播得到在待测物体(3)面处更新后的各脉冲波前复振幅分布

其中

为距离L1的光束反向传播过程；当标定的(x_nt,y_nt)为透过待测物体(3)后各个脉冲的复振幅透过率的傅里叶变换基频即能量集中区域的位置时：需要对Oguess'_nt进行傅里叶变换后，并对其频谱进行孔径限制，得到被限制之后频谱分布为

其中

为傅里叶变换操作，hole(x_nt，y_nt)为在(x_nt,y_nt)位置所加的孔径限制，孔径的大小随着迭代次数不断变大，然后对fguess_nt进行傅里叶逆变换可以得到更新后的各脉冲的复振幅分布为：

其中

为傅里叶逆变换过程；当标定的(x_nt,y_nt)为光束传播过程中某一焦点的位置时，将各脉冲光束利用传播方程传播至焦平面处并进行口径限制得到：

其中L3为待测物体(3)面与焦平面之间的距离，

表示正向传播L3距离的传播过程，孔径hole(x_nt，y_nt)也是随迭代次数的增大而变大；然后将被限制后的波前复振幅分布回传至待测物体(3)面得到更新后各脉冲光束复振幅分布：

其中

表示正向传播L3距离的逆传播过程；

将①正向传播过程中的Oguess_nt替换为Fguess_nt并进行下一次循环过程，直到误差函数中RMS达到预期目标后结束循环，从而得到各个脉冲对应时间段待测物体(3)的复振幅分布。

2.根据权利要求1所述的超快时间复振幅测量装置，其特征在于，所述的脉冲激光器模块(1)为ns脉冲激光器或ps脉冲激光器或fs脉冲激光器。

3.根据权利要求2所述的超快时间复振幅测量装置，其特征在于，所述的光束延迟分束器模块(2)由通过光纤(10)依次连接的空间光耦合器(8)、光纤分束器(9)和光纤接头(11)以及准直透镜(12)构成；空间脉冲光束经过所述的空间光耦合器(8)耦合入光纤(10)中，经光纤分束器(9)后分为多路脉冲光束，各路脉冲光束经过不同长度的光纤后形成具有不同时间延迟的脉冲序列，经过准直透镜(12)，每一个脉冲光变为不同角度的近似平行光束，将此脉冲序列作为照明待测物体(3)的照明光。

4.根据权利要求2所述的超快时间复振幅测量装置，其特征在于，所述的光束延迟分束器模块(2)包括第一部分反射镜(13)、第二部分反射镜(14)、第三部分反射镜(15)，第四部分反射镜(16)、第五部分反射镜(17)和第六部分反射镜(18)，空间脉冲光束经过多个部分反射镜形成具有多个不同时间延迟的脉冲光的脉冲序列，具体是：

空间脉冲光束依次经过所述的第一部分反射镜(13)和第六部分反射镜(18)反射后的反射光作为脉冲序列的第一个脉冲；

空间脉冲光束经所述的第一部分反射镜(13)透射后，依次经所述的第二部分反射镜(14)和第五部分反射镜(17)反射后，经所述的第六部分反射镜(18)透射后的透射光作为脉冲序列的第二个脉冲；

空间脉冲光束依次经所述的第一部分反射镜(13)和第二部分反射镜(14)透射后，依次经所述的第三部分反射镜(15)和第四部分反射镜(16)反射后，经和第五部分反射镜(17)和第六部分反射镜(18)透射后的透射光作为脉冲序列的第三个脉冲；

按照这种方式，根据待测物体(3)时间变化范围和脉冲激光器的脉冲宽度，设定一定数量nt个脉冲，形成一组脉冲序列，此脉冲序列作为照明待测物体(3)的照明光。

5.根据权利要求1所述的超快时间复振幅测量装置，其特征在于，所述的脉冲激光器模块(1)为ns脉冲激光器或ps脉冲激光器或fs脉冲激光器，出射的光束为宽光谱啁啾形式的脉冲光束。

6.根据权利要求5所述的超快时间复振幅测量装置，其特征在于，所述的光束延迟分束器模块(2)包括反射镜(19)，第一反射光栅(20)，准直透镜(21)，空间光调制器(22)和聚焦透镜(23)；

所述的宽光谱啁啾形式的脉冲光束通过所述的反射镜(19)反射后，以一定角度入射到所述的第一反射光栅(20)后经过色散将不同波长的光束部分在一维空间散射至不同方向，然后经过准直透镜(21)将光束准直为平行光束，空间光调制器(22)将此光束进行空间滤波选取需要的波长部分，不同波长对应不同的测量时段，经聚焦透镜(23)聚焦后，以一定角度形成含有多个脉冲对应不同波长的脉冲序列，作为照明待测物体(3)的照明光。

7.根据权利要求1-6任一所述的超快时间复振幅测量装置，其特征在于，所述的波前调制器模块(4)为二元台阶相位波前调制器、三元台阶相位波前调制器、十元台阶相位波前调制器、连续相位调制器、连续振幅相位调制器或纯振幅型波前调制器。

8.利用权利要求1-6任一所述的超快时间复振幅测量装置进行复振幅测量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

步骤1)光强探测器模块(5)记录脉冲序列中各个脉冲光强|A_nt|²的总和，表示为：

结果为每一光束在光强探测器模块(5)模块平面的强度叠加，其中n为脉冲序列中光束总的数量，nt为脉冲序列中光束的编号，nt＝1,2,3…n；

步骤2)标定脉冲序列中每一个脉冲通过待测物体(3)后其傅里叶变换基频即能量集中区域的位置或者光束传播过程中某一焦点的位置(x_nt,y_nt)；

标定某一波长λ波前调制器模块(4)的透过率复振幅函数T_λ；

步骤3)控制及数据处理模块(6)对第nt个脉冲经过待测物体(3)后的复振幅透过率

进行随机初始猜测为：

Oguess_nt＝A_nt*(rand(m,n)*exp(i*rand(m,n)*π))_nt

其中，A_nt为第nt个脉冲的振幅系数，rand(m,n)为产生m行n列的随机矩阵，m和n分别是光强探测器模块(5)记录数据矩阵的行和列；

将待测物体(3)与波前调制器模块(4)之间的距离记为L1,波前调制器模块(4)与光强探测器模块(5)之间的距离记为L2；

算法的迭代过程分为正向传播过程和反向传播过程二部分：

①正向传播过程，即待测物体到光强探测器模块(5)的过程：Oguess_nt传播至波前调制器模块(4)的波前表达式为：

其中

为距离L1的光束正向传播过程；经过波前调制器模块后的光束波前分布变为：Oback_nt＝Opre_nt*T_λ，其中T_λ为波长λ下波前调制器模块对应的透过率复振幅函数；通过传播方程，将Oback_nt传播至光强探测器模块(5)平面，得到：

其中

为距离L2的光束正向传播过程；用光强探测器模块(5)记录的光强分布矩阵I_nt和多状态波前更新公式得到更新后的各个脉冲的复振幅分布为：

利用以下式子计算误差函数，来判断迭代次数

当误差函数达到预期时结束迭代；

②反向传播过程，即光强探测器模块(5)到待测物体的过程：对G'_nt回传到波前调制器模块(4)后平面得到光束波前分布为

其中

为距离L2的光束反向传播过程；利用以下更新公式得到更新后的波前调制器模块(4)之前的照明光：

Opre'_nt＝Opre_nt+conj(T)/max(conj(T)*T)*(Oback'_nt-Oback_nt)，

其中conj(T)表示对T矩阵取共轭，max(conj(T)*T)为对矩阵conj(T)*T求最大值；对Opre'_nt逆向传播得到在待测物体(3)面处更新后的各脉冲波前复振幅分布

其中

为距离L1的光束反向传播过程；当标定的(x_nt,y_nt)为透过待测物体(3)后各个脉冲的复振幅透过率的傅里叶变换基频即能量集中区域的位置时：需要对Oguess'_nt进行傅里叶变换后，并对其频谱进行孔径限制，得到被限制之后频谱分布为

其中

为傅里叶变换操作，hole(x_nt，y_nt)为在(x_nt,y_nt)位置所加的孔径限制，孔径的大小随着迭代次数不断变大，然后对fguess_nt进行傅里叶逆变换可以得到更新后的各脉冲的复振幅分布为：

其中

为傅里叶逆变换过程；当标定的(x_nt,y_nt)为光束传播过程中某一焦点的位置时，将各脉冲光束利用传播方程传播至焦平面处并进行口径限制得到：

其中L3为待测物体(3)面与焦平面之间的距离，

表示正向传播L3距离的传播过程，孔径hole(x_nt，y_nt)也是随迭代次数的增大而变大；然后将被限制后的波前复振幅分布回传至待测物体(3)面得到更新后各脉冲光束复振幅分布：

其中

表示正向传播L3距离的逆传播过程；

将①正向传播过程中的Oguess_nt替换为Fguess_nt并进行下一次循环过程，直到误差函数中RMS达到预期目标后结束循环，从而得到各个脉冲对应时间段待测物体(3)的复振幅分布。

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