“时间透镜”像差产生机理及矫正方法研究

As important technique and research tool for next generation all-optical network and ultrafast science, time lens can be utilized in temporal imaging and time-frequency conversion of optical pulse. Up to now, core performances of time lens, namely, resolution and record length are limited by the high-order dispersion and parasitic nonlinear effect induced interference modulation, which embarrasses further applications of time lens. The performances limitations of time lens are described as the optical aberration in this project for the first time to the best of our knowledge. Based on space-time duality, the mathematical description of optical aberration of time lens will be obtained by the analogy to optical aberration of space lens. Then, the physical relationship between the optical aberration and interference modulation of time lens will be established. Furthermore, the mechanism of producing optical aberration can be obtained. At last, the feasibility and evaluation of aberration elimination by pre-modulation of pump pulse, feed-back converse-modulation and compensation lens are investigated. In conclusion, by solving the key problems including multi-variable description of optical aberration, analysis on influences of multi-factors due to nonlinear medium and optical pulse as well as feasibility of space-time duality for aberration elimination, we are going to establish the theoretical concept of time lens optical aberration, which is an important supplement of space-time duality. The technique of eliminating aberration will be also proposed, realized and optimized to supply the theoretical guidance and technical references for further applications of time lens.

时间透镜用于对光脉冲的时间成像和时-频域转换，已经成为下一代全光网络和超快科学领域的关键技术和重要研究手段。目前时间透镜的分辨率和记录长度等关键性能受到高阶色散和寄生非线性效应导致的干扰调制的限制，制约其推广应用。本项目首次将时间透镜的性能限制采用"像差"概念进行理论描述，基于时空二元性原理，根据空间透镜像差理论建立时间透镜像差的数学描述，进而得到时间透镜干扰调制与像差之间的理论关系，从而阐明时间透镜像差的物理机理，并针对四波混频时间透镜探索基于抽运脉冲预调制、反馈逆调制和补偿透镜等技术手段进行像差矫正的可行性。本项目通过解决时间透镜像差多变量数学描述、非线性介质和光脉冲特性多因素影响以及时空二元性在像差矫正技术的适用性等关键问题，预期建立时间透镜像差的物理概念及数学描述，对时空二元性原理进行推广和补充，提出、验证和优化像差矫正方法，为突破时间透镜性能瓶颈提供理论指导和技术参考。

本项目研究了时间透镜的像差机理及其补偿方法。针对线性时间薄透镜，首先阐明了高阶相位调制导致像差的机理，提出了基于参数调制实现的高阶相位调制像差补偿方法，对于调制频率为20 GHz，压缩系数为5的时间成像系统，将像差一定条件下的时间孔径由15.6%调制周期提高至50%调制周期。其次，明确了线性时间成像系统中，高阶色散导致像差的机理，在此基础上，研究了时间成像过程中高阶相位调制和高阶色散导致像差互相抵消的机理，提出了高阶色散和高阶相位调制像差交叉补偿方法。针对非线性时间透镜，明确了多种非线性交叉效应导致像差的机理，为了有效抑制和补偿非线性时间透镜像差，研究了新型高非线性光学材料用于非线性时间透镜的可行性。制备和研究了氧化石墨烯-ps聚苯乙烯的高非线性光学性质。通过将其作为饱和吸收体实现锁模掺饵光纤激光器验证其了高非线性光学特性，得到了脉冲周期为0.5 μs的稳定锁模激光器输出光脉冲，研究表明：所制备的氧化石墨烯-ps聚苯乙烯具有高光学非线性及较低的光学损耗，具有拉制特种光纤的结构适应性，可以作为实现非线性时间透镜的潜在光学材料。提出和研究了一种具有双蝴蝶结结构的高非线性准晶光纤，在1.8~2.2 μm 波长范围实现了单模传输下的高非线性、高双折射以及低色散。通过优化光纤结构参数，得到2 μm波长非线性系数为118 W-1km-1，双折射为2.43×10-3，色散为25 ps/nm/km，探索了其实现低像差非线性时间透镜的可行性。针对时间相位和强度波带片等新型时间透镜，提出了最小像差（即最优消光比，时间焦点）概念，得到了最小像差条件（时间焦距）与色散补偿量之间的定量关系，建立了时间焦距及聚焦质量（消光比）与波长之间的理论关系。建立了时间相位和强度波带片的最优像差理论：焦距色散补偿量与中心波长在1310~1550 nm范围内呈近似线性关系，对于不同波长，可以通过设定色散补偿量实现可预计的最小像差。针对时间透镜在超快光学中的应用，提出一种单原子在线光学探测方法，采用回音壁模式瓶形微谐振腔，利用光子与原子相互作用改变光子出射路径的机理，通过光子技术和多光子（超快光脉冲）探测和分析，为进一步对原子个数、动能和种类等信息的分析提供技术可能。