【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(shí)驗(yàn)室(LIFE，Laboratory of intelligent fiber ecosystem)在超快光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)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(cè)量對(duì)非線性效應(yīng)的依賴和測(cè)量速度慢的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮焦級(jí)微弱飛秒脈沖的單幀全域(強(qiáng)度和相位)精確測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)際應(yīng)用中精準(zhǔn)駕馭這些瞬態(tài)光場(chǎng)，對(duì)飛秒脈沖的強(qiáng)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(cè)量技術(shù)如FROG和SPIDER等，面臨著難以兼顧靈敏度與測(cè)量速度的困境。首先，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)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(hào)，導(dǎo)致待測(cè)脈沖需要具備一定能量才能被探測(cè)(FROG需要脈沖能量達(dá)到微焦量級(jí)才能實(shí)現(xiàn)單幀測(cè)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(cè)量手段幾乎失效。
 

　　此外，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在應(yīng)對(duì)高重復(fù)頻率脈沖序列時(shí)也顯得力不從心。由于依賴耗時(shí)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(cè)量技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高重頻飛秒脈沖序列進(jìn)行單幀實(shí)時(shí)全域測(cè)量。綜上，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖
 

　　面對(duì)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(duì)非線性的依賴。研究團(tuán)隊(duì)利用色散傅里葉變換技術(shù)將時(shí)域延遲映射為頻率剪切，并將光譜干涉條紋映射回時(shí)域，構(gòu)建了一個(gè)完全基于干涉和色散等線性效應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。這種純線性的物理機(jī)制大幅降低了對(duì)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(duì)可編程光譜濾波器的切換過(guò)程進(jìn)行單幀全域表征
 

　　為了解決線性測(cè)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(dòng)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)引入了AI來(lái)替代傳統(tǒng)的傅里葉變換重構(gòu)算法。通過(guò)大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，AI能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)并適應(yīng)系統(tǒng)的延遲抖動(dòng)與高階色散影響，直接從時(shí)域干涉圖中一步到位地精準(zhǔn)重構(gòu)出脈沖的強(qiáng)度和相位信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能算法表現(xiàn)出了極強(qiáng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的性能指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)成功對(duì)平均能量?jī)H為296.6pJ的飛秒脈沖進(jìn)行了單幀全域表征，同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)32.4MHz的測(cè)量幀率，成功捕捉并解析了可編程光譜濾波器亞毫秒級(jí)的動(dòng)態(tài)切換過(guò)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(cè)量難題，更為未來(lái)探索紫外飛秒脈沖乃至阿秒脈沖的動(dòng)力學(xué)特性提供了極具潛力的解決方案。