超快时域光谱分析系统的机理研究及优化设计

This project mainly focuses on the ultrafast spectroscopy system based on temporal focusing mechanism. Optical spectrum acts as an essential information carrier, and the spectroscopy is one of the most essential measurement techniques in photonic systems, especially in capturing dynamic phenomena, with the ultrafast spectroscopy proposed in this project. In comparison, the most conventional spectroscopic technique is based on the mechanical rotation of a spatial dispersive component (e.g. diffraction grating); this achieves great spectral accuracy but limited operating speed. More recently, another method relied on the temporal dispersion of optical fiber, can greatly accelerate the acquisition speed, but it is restricted by the input pulse conditions. To overcome this limitation, this project implements temporal Fourier transform at the back focal plane of the time-lens, the spectral information can be instantaneously obtained in the time axis. This scheme can capture arbitrary waveform with higher detection sensitivity, and 100-MHz frame rate. On the other hand, this project will focus on optimizing the system characteristics by multiple time-lenses structure, and realize the fastest speed, highest resolution, and widest observation bandwidth, respectively. This new ultrafast approach opens a new horizon for the advanced spectroscopy system, and explores some new research and application areas.

本项目主要研究基于时域透镜聚焦的超快光谱分析系统。光谱作为物质结构信息的重要载体，也是光学测量的核心部分，我们研究的高速光谱分析则能够测量动态的物质结构信息。相比于传统的基于空间色散的光谱分析仪，机械扫描光栅的过程限制了其速度，不能观测快速的动态光谱。利用光纤的时域色散取代空间色散能极大的提升光谱探测速率，但这种色散拉伸的过程只能对周期性的脉冲光谱进行观测。为克服这一限制，本项目将研究利用时域聚焦透镜在焦平面上傅里叶变换的特性，可实现光谱信息向时间轴的实时转化，这一方案能够实现对任意波形的光谱测量，较高的探测灵敏度，以及高达100-MHz的采样频率。另一方面，本项目将着重研究利用多个时域透镜的结构来优化提升测量指标，分别实现更高的采样频率、更高的光谱分辨率、以及更大的测量带宽。基于此高速光谱分析系统，可进一步研究升级传统光谱分析系统，并探索新的应用领域。

光谱作为物质结构信息的重要载体，也是光学测量的核心部分，我们研究的高速光谱分析则能够测量动态的物质结构信息。本项目创新性地提出了基于时域透镜聚焦的新方案，直接在时域上获取光谱信息，扩大了快速光谱分析的观测窗口，具体研究成果包括如下内容：第一，利用非线性薛定谔方程来完善参量时域光谱分析仪的理论模型，对比单时域透镜以及双时域透镜的时域聚焦系统，研究色散的匹配关系及高阶色散的影响；第二，优化参量混频的过程及非线性波导，这是实现时域透镜的物理基础，通过研究不同的非线性波导材料，包括色散平坦的高非线性光纤以及色散设计的硅基集成波导，实现了较大的参量混频转换带宽(30nm)及较高的转换效率(-10dB)；第三，基于非线性偏振旋转的被动锁模掺铒光纤激光器，实现脉冲宽度<500fs，光谱谱宽>20nm，平均功率>10dBm的输出脉冲，通过控制腔长，实现重复频率10MHz至100MHz的连续可调，并通过压电陶瓷搭建激光腔的锁相反馈环，实现激光器重复频率的锁定，减小系统的时域抖动、提升光谱测量精度。第四，将差频双光频梳与超快时域光谱分析系统结合，利用时域放大特性，100MHz的探测带宽便可实现2pm的光谱分辨率。第五，基于微波光子学的思路，通过高速的光调制器可将微波信号加载到光载波上，其光谱信息反映了电信号射频谱的信息，结合超快时域光谱分析系统，可实时获取电信号的射频谱。实时的测量过程可实现1GHz的分辨率以及800GHz的观测带宽；与差频双光频梳系统相结合，可将射频谱分辨率提升至100MHz。在该项目资助下，发表与本课题相关的SCI论文10篇和国际会议论文12篇，其中在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics发表邀稿的综述论文1篇，在Optics Letters发表3篇，在Optics Express发表5篇，在IEEE Photonics Technology Letters发表1篇，在本领域顶级国际会议CLEO上发表论文4篇。培养博士生4名，培养硕士生6名，项目结题成果整体上达到预期。