[发明专利]一种快速收敛的超短脉冲波形与相位重建方法

说明书

一种快速收敛的超短脉冲波形与相位重建方法，包括对脉冲初始猜测值的优化和二维trace图的多重网格预处理，再利用ptychography迭代算法对脉冲波形与相位进行重建。利用优化后的脉冲初始猜测值和对二维trace图预处理后，将大大减小对二维trace图的重建计算时间，能够实现对超短脉冲波形和相位重建的快速收敛，满足对超短脉冲的单次实时测量的要求，即保证了重建速度又保证了准确性，还具有很好的抗噪性和高分辨率。

技术领域

本发明涉及超短脉冲测量方法，特别是一种能够快速收敛的超短脉冲波形和相位重建方法。

背景技术

脉冲激光的发展对激光测量技术提出了更高要求，在许多应用场景中，需要获得脉冲的频谱分布及相位信息以进一步研究其传输特性及与物质相互作用的机理，因此超短脉冲的测量十分重要且具有挑战性。

目前最实用、最可靠、最成熟的方法是频率分辨光学开关法(FROG)，可以利用各种非线性过程产生不同类型的行迹(trace)图进行测量，但是FROG在传统脉冲波形与相位的重建算法上并不理想，现有算法仍存在许多限制因素，如收敛停滞、重建速度等。2016年Pavel Sidorenko和Oren Lahav等人提出利用相干衍射成像中ptychography恢复算法对超短脉冲波形与相位进行重建，该方法具有超高分辨率、很好的抗噪性和鲁棒性，但在实际超短脉冲强度和相位重建时，由于其速度比较慢，对超短脉冲波形与相位的测量具有滞后性，无法做到实时测量，还可能陷入收敛停滞，无法得到最终正确的结果，给超短脉冲的测量及进一步研究其其传输特性及与物质相互作用的过程带来了很大的麻烦，因此对基于ptychography的恢复算法快速准确的测量超短脉冲的研究具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述超短脉冲波形与相位重建方法上的缺陷，提出一种能够快速收敛的超短脉冲波形和相位重建方法，对于FROG装置采集的关于频率和延时的二维trace图，利用频率边缘函数和脉冲功率谱的关系及脉冲时域连续性可以计算出脉冲准确的强度，脉冲在重建过程中更新强度和相位，比原来的假设固定强度和随机相位的初始猜测值，有准确的强度信息能够更快收敛至好的最终结果。对采集的二维trace图进行多重网格预处理，将M×N的trace图邻近插值成M/a×N/a和M/b×N/b大小，对不同矩阵大小进行处理时，迭代次数可以较少，缩短迭代过程中猜测脉冲趋近待测脉冲的时间。所以，利用准确强度加随机相位的初始猜测和对采集到的二维trace图进行多重网格预处理，可以提高超短脉冲波形与相位重建的收敛速度，尤其是对时间带宽积比较大的复杂脉冲，达到对超短脉冲实时准确的测量。

为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案如下：

一种快速收敛的超短脉冲波形与相位重建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)，超短脉冲的初始猜测优化：

采集关于频率和延时的矩阵大小为M×N的二维trace图，计算该二维trace图的频率边缘函数，利用频率边缘函数和脉冲的时域连续性计算待测脉冲功率谱，即可得到待测脉冲强度；

步骤2)，对二维trace图进行多重网格预处理：

对M×N的二维trace图邻近插值成M/a×N/a和M/b×N/b的二维trace图，其中a和b为大于等于2的正整数，且ba；

步骤3)，按矩阵大小依次从小到大对每个二维trace图采用ptychography迭代法对脉冲波形与相位进行重建。

所述的一种快速收敛的超短脉冲波形与相位重建方法，其特征在于：所述的步骤1)中采集关于频率和延时的矩阵大小为M×N的二维trace图，可利用SHG-FROG，THG-FROG或PG-FROG等装置采集。

所述的步骤1)超短脉冲的初始猜测优化，具体步骤如下：

首先，计算频率边缘函数M(ω)，公式如下：