【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院(信息與電子工程學(xué)院)義理林教授課題組智能光纖系統(tǒng)實驗室(LIFE，Laboratory of intelligent fiber ecosystem)在超快光學(xué)測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊提出了一種基于線性光譜剪切干涉(LSSI)與AI相結(jié)合的智能單幀全域表征技術(shù)(ISFC)，成功擺脫了傳統(tǒng)飛秒脈沖測量對非線性效應(yīng)的依賴和測量速度慢的問題，實現(xiàn)了對皮焦級微弱飛秒脈沖的單幀全域(強度和相位)精確測量。相關(guān)成果以“Intelligent single-shot full-field characterization over femtosecond pulses”(飛秒脈沖智能全域單幀測量)為題發(fā)表于《Nature Communications》。
飛秒激光脈沖在超快光譜學(xué)、精密測距、非線性光學(xué)以及阿秒科學(xué)等前沿領(lǐng)域扮演著核心角色。為了在實際應(yīng)用中精準(zhǔn)駕馭這些瞬態(tài)光場，對飛秒脈沖的強度和相位進(jìn)行全域表征是十分重要的。然而，現(xiàn)有的主流飛秒脈沖測量技術(shù)如FROG和SPIDER等，面臨著難以兼顧靈敏度與測量速度的困境。首先，傳統(tǒng)測量技術(shù)無一例外地依賴于非線性光學(xué)效應(yīng)，即必須利用非線性晶體產(chǎn)生倍頻或和頻信號，導(dǎo)致待測脈沖需要具備一定能量才能被探測(FROG需要脈沖能量達(dá)到微焦量級才能實現(xiàn)單幀測量)。在紫外及X射線波段，由于缺乏高效的非線性晶體且材料吸收損耗嚴(yán)重，基于非線性效應(yīng)的測量手段幾乎失效。
此外，傳統(tǒng)測量技術(shù)在應(yīng)對高重復(fù)頻率脈沖序列時也顯得力不從心。由于依賴耗時的迭代算法進(jìn)行相位恢復(fù)，或者受到光譜讀出速度的硬件限制，傳統(tǒng)測量技術(shù)難以實現(xiàn)對高重頻飛秒脈沖序列進(jìn)行單幀實時全域測量。綜上，如何實現(xiàn)對高重頻、低能量飛秒脈沖的單幀全域表征，成為了限制超快光學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
創(chuàng)新成果
LSSI-ISFC實驗裝置示意圖
面對上述挑戰(zhàn)，義理林教授課題組提出了一種智能單幀全域表征技術(shù)(ISFC)，該技術(shù)將線性光譜剪切干涉(LSSI)與AI相結(jié)合，徹底摒棄了對非線性的依賴。研究團(tuán)隊利用色散傅里葉變換技術(shù)將時域延遲映射為頻率剪切，并將光譜干涉條紋映射回時域，構(gòu)建了一個完全基于干涉和色散等線性效應(yīng)的測量系統(tǒng)。這種純線性的物理機制大幅降低了對光脈沖能量的閾值要求，規(guī)避了紫外波段非線性晶體匱乏的難題。
利用LSSI-ISFC對可編程光譜濾波器的切換過程進(jìn)行單幀全域表征
為了解決線性測量系統(tǒng)中存在的高階色散參數(shù)校準(zhǔn)困難及延遲抖動問題，研究團(tuán)隊引入了AI來替代傳統(tǒng)的傅里葉變換重構(gòu)算法。通過大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，AI能夠自動學(xué)習(xí)并適應(yīng)系統(tǒng)的延遲抖動與高階色散影響，直接從時域干涉圖中一步到位地精準(zhǔn)重構(gòu)出脈沖的強度和相位信息。實驗結(jié)果表明，該智能算法表現(xiàn)出了極強的魯棒性，即便在低采樣率和復(fù)雜環(huán)境噪聲下，其脈沖重構(gòu)精度仍遠(yuǎn)超傳統(tǒng)傅里葉變換方法。
基于這一創(chuàng)新架構(gòu)，實驗系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的性能指標(biāo)。研究團(tuán)隊成功對平均能量僅為296.6pJ的飛秒脈沖進(jìn)行了單幀全域表征，同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了高達(dá)32.4MHz的測量幀率，成功捕捉并解析了可編程光譜濾波器亞毫秒級的動態(tài)切換過程。由于完全不依賴非線性效應(yīng)，該技術(shù)不僅解決了低能量脈沖測量難題，更為未來探索紫外飛秒脈沖乃至阿秒脈沖的動力學(xué)特性提供了極具潛力的解決方案。
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