新型時間透鏡及其在超快光信號處理中的應(yīng)用研究.pdf

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

2、透鏡的理論和實驗研究工作。論文的主要創(chuàng)新成果如下:
　　1.首次將畸變消除技術(shù)應(yīng)用于基于線性時間透鏡的時域成像、時間到頻率映射和頻率到時間映射信號處理系統(tǒng)。建立了系統(tǒng)高階項畸變消除的理論模型，推導(dǎo)出高階項畸變的消除條件，并通過數(shù)值仿真進行了驗證。數(shù)值仿真結(jié)果表明，時間透鏡和色散的高階項均會給系統(tǒng)引入畸變，然而，當畸變消除條件滿足時，兩種畸變相互抵消，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的無畸變輸出。利用畸變消除技術(shù)可以簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在提升基于傳統(tǒng)時間透

3、鏡的信號處理系統(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)制來實現(xiàn)梯度折射率時間透鏡的理論方法，并相繼提出了三種基于梯度折射率時間透鏡的新型光信號處理應(yīng)用——時域傅里葉變換、時域成像、時域濾波。由于梯度折射率時間透鏡有效地將色散和時間透鏡集成在一起，研究工作對光信號處理系統(tǒng)的簡化有著重要的推動作用。
　　3.提出了基于強度調(diào)制的時域Gabor波帶片概念。建立

4、了基于強度調(diào)制的時域Gabor波帶片的理論模型和基于時域Gabor波帶片的線性光脈沖壓縮實驗系統(tǒng)，從理論和實驗兩方面研究了時域Gabor波帶片的性能。研究結(jié)果表明，時域Gabor波帶片的調(diào)制幅度為一個半波電壓π、小時域孔徑約為1.88 ns、時間帶寬積≤39，而基于電光二次相位調(diào)制的時間透鏡的調(diào)制幅度需要十幾個Vπ，時域孔徑約為幾十ps，時間帶寬積≤13，因此，與基于傳統(tǒng)的電光二次相位調(diào)制的時間透鏡相比，時域Gabor波帶片具有更大的時

5、域孔徑、更低的調(diào)制幅度和更大的時間帶寬積，將基于時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。由于時域Gabor波帶片采用正弦調(diào)制代替時域Fresnel波帶片的矩形調(diào)制結(jié)構(gòu)，大幅度降低了對調(diào)制信號帶寬的要求，從而突破了限制時域波帶片難以實現(xiàn)的瓶頸問題。
　　4.提出了基于幅度調(diào)制的時域幅度型波帶片概念，建立了基于幅度調(diào)制的時域幅度型波帶片的理論模型，給出了時域幅度型波帶片的主要性能參數(shù)。通過將時域幅度型波帶片應(yīng)用到線

6、性光脈沖壓縮系統(tǒng)中，使用與時域強度型Gabor波帶片相同的實驗設(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，是繼時域強度Gabor波帶片后，時域波帶片的又一個新的突破。
　　5.提出了基于相位調(diào)制的時域相位型波帶片概念，建立了基于相位調(diào)制的時域相位型波帶片的理論模型，并在實驗中首次實現(xiàn)了時域相位型波帶片。研究結(jié)果

7、表明，相比時域強度型波帶片和時域幅度型波帶片，時域相位型波帶片將能量效率提高到33.9％、將時域孔徑提高到5.77 ns、將時域分辨率提高到22 ps、將時間帶寬積提高到226。通過將時域波帶片應(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.提出了基于時域小孔的非相干光時域成像技術(shù)，首次將時域成像應(yīng)用于非相干光領(lǐng)域。建立了基于時域小孔的非相干光時域成像系統(tǒng)的

8、理論模型和實驗系統(tǒng)，從理論和實驗兩方面研究了基于時域小孔的非相干光時域成像系統(tǒng)的性能。研究結(jié)果表明，基于時域小孔的非相干光時域成像系統(tǒng)的調(diào)制幅度為Vπ、時域孔徑約為8 ns、時間帶寬積約為162，遠遠高于基于電光二次時間透鏡的相干光時域成像系統(tǒng)的性能參數(shù)。
　　7.提出了基于時域Pinspeck的非相干光時域成像技術(shù)，建立了基于時域Pinspeck的非相干光時域成像系統(tǒng)的理論模型和實驗系統(tǒng)，從理論和實驗兩方面研究了基于時域Pins