圖1 (a) MPPA原理圖;(b)ePIE迭代流程圖。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合佐治亞理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在超短脈沖測(cè)量相位恢復(fù)算法方面取得研究進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的多網(wǎng)格并行疊層相位恢復(fù)算法(MPPA)，顯著提升了頻率分辨光學(xué)開關(guān)技術(shù)(FROG)在復(fù)雜情形時(shí)的脈沖重建能力。相關(guān)研究成果以“Multi-grid parallel ptychographic algorithm for frequency-resolved optical gating”為題發(fā)表于Optics Express。

超短激光脈沖的精確測(cè)量是超快光學(xué)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一，頻率分辨光學(xué)門技術(shù)(FROG)通過測(cè)量脈沖的延時(shí)-頻率分布(行跡圖)，再使用迭代算法實(shí)現(xiàn)脈沖重建，但傳統(tǒng)測(cè)量算法易受噪聲干擾或數(shù)據(jù)不完整的影響，導(dǎo)致收斂停滯或誤差累積，尤其在處理高噪聲、大帶寬或極短脈沖時(shí)，現(xiàn)有方法的穩(wěn)定性和計(jì)算效率面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

圖2 MPPA和Ptychography重建算法在不同程度噪聲和不完整行跡圖下的重建誤差對(duì)比。

在這項(xiàng)工作中，MPPA算法將原始FROG行跡圖靈活采樣并分解為多尺度的子行跡圖，通過改進(jìn)的ePIE(extended ptychographical iterative engine)算法，并行處理快速排除局部最小值，顯著提升收斂速度。同時(shí)，引入權(quán)重因子動(dòng)態(tài)調(diào)整迭代參數(shù)，保障了在低信噪比或數(shù)據(jù)極度不完整的極端條件下仍能穩(wěn)定快速的收斂。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無需依賴任何先驗(yàn)信息，MPPA算法展現(xiàn)出了高精度、高抗噪性和高魯棒性的脈沖重建，在強(qiáng)噪聲干擾和僅1/10延時(shí)或光譜數(shù)據(jù)的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)脈沖的準(zhǔn)確重建，平均誤差低于1%，收斂率相比傳統(tǒng)Ptychography和投影算法提升接近十倍，即便對(duì)極其復(fù)雜脈沖(時(shí)間帶寬積TBP > 80)的重建成功率也超過90%。MPPA算法為超短激光脈沖在更加復(fù)雜情形下的診斷提供了更高效、更可靠的解決方案，有望應(yīng)用于高功率超短脈沖激光裝置的時(shí)域精密測(cè)量與監(jiān)控。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)課題等項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇