新型時(shí)間透鏡及其在超快光信號(hào)處理中的應(yīng)用研究.pdf

1、基于時(shí)間透鏡的光信號(hào)處理具有系統(tǒng)元件少、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可提供現(xiàn)有電信號(hào)處理系統(tǒng)所無(wú)法比擬的信號(hào)處理速度。作為光信號(hào)處理系統(tǒng)中的一種重要的光學(xué)器件，時(shí)間透鏡的性能直接制約著光信號(hào)處理系統(tǒng)的性能提升。
　　本論文在國(guó)家自然基金項(xiàng)目和校優(yōu)秀博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目的資助下，針對(duì)目前時(shí)間透鏡及其在諸如光脈沖壓縮、時(shí)頻變換及時(shí)域成像等超快光信號(hào)處理應(yīng)用中存在的問題，以新型時(shí)間透鏡和超快光信號(hào)處理系統(tǒng)性能提升為突破口，開展了面向超快光信號(hào)處理的時(shí)間

2、透鏡的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:
　　1.首次將畸變消除技術(shù)應(yīng)用于基于線性時(shí)間透鏡的時(shí)域成像、時(shí)間到頻率映射和頻率到時(shí)間映射信號(hào)處理系統(tǒng)。建立了系統(tǒng)高階項(xiàng)畸變消除的理論模型，推導(dǎo)出高階項(xiàng)畸變的消除條件，并通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)值仿真結(jié)果表明，時(shí)間透鏡和色散的高階項(xiàng)均會(huì)給系統(tǒng)引入畸變，然而，當(dāng)畸變消除條件滿足時(shí)，兩種畸變相互抵消，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)畸變輸出。利用畸變消除技術(shù)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在提升基于傳統(tǒng)時(shí)間透

3、鏡的信號(hào)處理系統(tǒng)性能方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　2.建立了光脈沖在梯度折射率時(shí)間透鏡傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?，首次討論了利用交叉相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)梯度折射率時(shí)間透鏡的理論方法，并相繼提出了三種基于梯度折射率時(shí)間透鏡的新型光信號(hào)處理應(yīng)用——時(shí)域傅里葉變換、時(shí)域成像、時(shí)域?yàn)V波。由于梯度折射率時(shí)間透鏡有效地將色散和時(shí)間透鏡集成在一起，研究工作對(duì)光信號(hào)處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化有著重要的推動(dòng)作用。
　　3.提出了基于強(qiáng)度調(diào)制的時(shí)域Gabor波帶片概念。建立

4、了基于強(qiáng)度調(diào)制的時(shí)域Gabor波帶片的理論模型和基于時(shí)域Gabor波帶片的線性光脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了時(shí)域Gabor波帶片的性能。研究結(jié)果表明，時(shí)域Gabor波帶片的調(diào)制幅度為一個(gè)半波電壓π、小時(shí)域孔徑約為1.88 ns、時(shí)間帶寬積≤39，而基于電光二次相位調(diào)制的時(shí)間透鏡的調(diào)制幅度需要十幾個(gè)Vπ，時(shí)域孔徑約為幾十ps，時(shí)間帶寬積≤13，因此，與基于傳統(tǒng)的電光二次相位調(diào)制的時(shí)間透鏡相比，時(shí)域Gabor波帶片具有更大的時(shí)

5、域孔徑、更低的調(diào)制幅度和更大的時(shí)間帶寬積，將基于時(shí)間透鏡的線性光脈沖壓縮系統(tǒng)的光脈沖壓縮比由13提高到39。由于時(shí)域Gabor波帶片采用正弦調(diào)制代替時(shí)域Fresnel波帶片的矩形調(diào)制結(jié)構(gòu)，大幅度降低了對(duì)調(diào)制信號(hào)帶寬的要求，從而突破了限制時(shí)域波帶片難以實(shí)現(xiàn)的瓶頸問題。
　　4.提出了基于幅度調(diào)制的時(shí)域幅度型波帶片概念，建立了基于幅度調(diào)制的時(shí)域幅度型波帶片的理論模型，給出了時(shí)域幅度型波帶片的主要性能參數(shù)。通過(guò)將時(shí)域幅度型波帶片應(yīng)用到線

6、性光脈沖壓縮系統(tǒng)中，使用與時(shí)域強(qiáng)度型Gabor波帶片相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，成功地將脈沖壓縮的能量效率由6.25％提高到25％，并且將背景噪聲由31.25％降低到25％。研究結(jié)果表明，時(shí)域幅度型波帶片具有更高的能量效率和更低的背景噪聲，是繼時(shí)域強(qiáng)度Gabor波帶片后，時(shí)域波帶片的又一個(gè)新的突破。
　　5.提出了基于相位調(diào)制的時(shí)域相位型波帶片概念，建立了基于相位調(diào)制的時(shí)域相位型波帶片的理論模型，并在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了時(shí)域相位型波帶片。研究結(jié)果

7、表明，相比時(shí)域強(qiáng)度型波帶片和時(shí)域幅度型波帶片，時(shí)域相位型波帶片將能量效率提高到33.9％、將時(shí)域孔徑提高到5.77 ns、將時(shí)域分辨率提高到22 ps、將時(shí)間帶寬積提高到226。通過(guò)將時(shí)域波帶片應(yīng)用到線性光脈沖壓縮中，成功地解決了基于時(shí)間透鏡的線性光脈沖壓縮技術(shù)中的難題，將光脈沖壓縮比由13提高到226。
　　6.提出了基于時(shí)域小孔的非相干光時(shí)域成像技術(shù)，首次將時(shí)域成像應(yīng)用于非相干光領(lǐng)域。建立了基于時(shí)域小孔的非相干光時(shí)域成像系統(tǒng)的

8、理論模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了基于時(shí)域小孔的非相干光時(shí)域成像系統(tǒng)的性能。研究結(jié)果表明，基于時(shí)域小孔的非相干光時(shí)域成像系統(tǒng)的調(diào)制幅度為Vπ、時(shí)域孔徑約為8 ns、時(shí)間帶寬積約為162，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于電光二次時(shí)間透鏡的相干光時(shí)域成像系統(tǒng)的性能參數(shù)。
　　7.提出了基于時(shí)域Pinspeck的非相干光時(shí)域成像技術(shù)，建立了基于時(shí)域Pinspeck的非相干光時(shí)域成像系統(tǒng)的理論模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了基于時(shí)域Pins