上海光机所在超短脉冲测量相位恢复算法方面取得研究进展

图1 (a) MPPA原理图;(b)ePIE迭代流程图。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室联合佐治亚理工学院研究团队在超短脉冲测量相位恢复算法方面取得研究进展，研究团队提出了一种新型的多网格并行叠层相位恢复算法(MPPA)，显著提升了频率分辨光学开关技术(FROG)在复杂情形时的脉冲重建能力。相关研究成果以“Multi-grid parallel ptychographic algorithm for frequency-resolved optical gating”为题发表于Optics Express。

超短激光脉冲的精确测量是超快光学领域的核心挑战之一，频率分辨光学门技术(FROG)通过测量脉冲的延时-频率分布(行迹图)，再使用迭代算法实现脉冲重建，但传统测量算法易受噪声干扰或数据不完整的影响，导致收敛停滞或误差累积，尤其在处理高噪声、大带宽或极短脉冲时，现有方法的稳定性和计算效率面临严峻考验。

图2 MPPA和Ptychography重建算法在不同程度噪声和不完整行迹图下的重建误差对比。

在这项工作中，MPPA算法将原始FROG行迹图灵活采样并分解为多尺度的子行迹图，通过改进的ePIE(extended ptychographical iterative engine)算法，并行处理快速排除局部最小值，显著提升收敛速度。同时，引入权重因子动态调整迭代参数，保障了在低信噪比或数据极度不完整的极端条件下仍能稳定快速的收敛。通过数值模拟与实验验证，无需依赖任何先验信息，MPPA算法展现出了高精度、高抗噪性和高鲁棒性的脉冲重建，在强噪声干扰和仅1/10延时或光谱数据的情况下，仍能实现脉冲的准确重建，平均误差低于1%，收敛率相比传统Ptychography和投影算法提升接近十倍，即便对极其复杂脉冲(时间带宽积TBP > 80)的重建成功率也超过90%。MPPA算法为超短激光脉冲在更加复杂情形下的诊断提供了更高效、更可靠的解决方案，有望应用于高功率超短脉冲激光装置的时域精密测量与监控。

相关工作得到了国家自然科学基金、上海市扬帆计划、中国科学院先导专项课题等项目的支持。

审核编辑 黄宇