【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學集成電路學院(信息與電子工程學院)義理林教授課題組智能光纖系統實驗室(LIFE，Laboratory of intelligent fiber ecosystem)在超快光學測量領域取得重要進展，研究團隊提出了一種基于線性光譜剪切干涉(LSSI)與AI相結合的智能單幀全域表征技術(ISFC)，成功擺脫了傳統飛秒脈沖測量對非線性效應的依賴和測量速度慢的問題，實現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)為題發表于《Nature Communications》。
飛秒激光脈沖在超快光譜學、精密測距、非線性光學以及阿秒科學等前沿領域扮演著核心角色。為了在實際應用中精準駕馭這些瞬態光場，對飛秒脈沖的強度和相位進行全域表征是十分重要的。然而，現有的主流飛秒脈沖測量技術如FROG和SPIDER等，面臨著難以兼顧靈敏度與測量速度的困境。首先，傳統測量技術無一例外地依賴于非線性光學效應，即必須利用非線性晶體產生倍頻或和頻信號，導致待測脈沖需要具備一定能量才能被探測(FROG需要脈沖能量達到微焦量級才能實現單幀測量)。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重，基于非線性效應的測量手段幾乎失效。
此外，傳統測量技術在應對高重復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行相位恢復，或者受到光譜讀出速度的硬件限制，傳統測量技術難以實現對高重頻飛秒脈沖序列進行單幀實時全域測量。綜上，如何實現對高重頻、低能量飛秒脈沖的單幀全域表征，成為了限制超快光學進一步發展的關鍵技術瓶頸。
創新成果
LSSI-ISFC實驗裝置示意圖
面對上述挑戰，義理林教授課題組提出了一種智能單幀全域表征技術(ISFC)，該技術將線性光譜剪切干涉(LSSI)與AI相結合，徹底摒棄了對非線性的依賴。研究團隊利用色散傅里葉變換技術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，構建了一個完全基于干涉和色散等線性效應的測量系統。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行單幀全域表征
為了解決線性測量系統中存在的高階色散參數校準困難及延遲抖動問題，研究團隊引入了AI來替代傳統的傅里葉變換重構算法。通過大量數據的訓練，AI能夠自動學習并適應系統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重構出脈沖的強度和相位信息。實驗結果表明，該智能算法表現出了極強的魯棒性，即便在低采樣率和復雜環境噪聲下，其脈沖重構精度仍遠超傳統傅里葉變換方法。
基于這一創新架構，實驗系統展現出了卓越的性能指標。研究團隊成功對平均能量僅為296.6pJ的飛秒脈沖進行了單幀全域表征，同時，系統實現了高達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切換過程。由于完全不依賴非線性效應，該技術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特性提供了極具潛力的解決方案。
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