近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）义理林教授课题组智能光纤系统实验室（LIFE，Laboratory of intelligent fiber ecosystem）在超快光学测量领域取得重要进展，研究团队提出了一种基于线性光谱剪切干涉（LSSI）与AI相结合的智能单帧全域表征技术（ISFC），成功摆脱了传统飞秒脉冲测量对非线性效应的依赖和测量速度慢的问题，实现了对皮焦级微弱飞秒脉冲的单帧全域（强度和相位）精确测量。相关成果以“Intelligent single-shot full-field characterization over femtosecond pulses”（飞秒脉冲智能全域单帧测量）为题发表于《Nature Communications》。

研究背景

飞秒激光脉冲在超快光谱学、精密测距、非线性光学以及阿秒科学等前沿领域扮演着核心角色。为了在实际应用中精准驾驭这些瞬态光场，对飞秒脉冲的强度和相位进行全域表征是十分重要的。然而，现有的主流飞秒脉冲测量技术如FROG和SPIDER等，面临着难以兼顾灵敏度与测量速度的困境。首先，传统测量技术无一例外地依赖于非线性光学效应，即必须利用非线性晶体产生倍频或和频信号，导致待测脉冲需要具备一定能量才能被探测（FROG需要脉冲能量达到微焦量级才能实现单帧测量）。在紫外及X射线波段，由于缺乏高效的非线性晶体且材料吸收损耗严重，基于非线性效应的测量手段几乎失效。

此外，传统测量技术在应对高重复频率脉冲序列时也显得力不从心。由于依赖耗时的迭代算法进行相位恢复，或者受到光谱读出速度的硬件限制，传统测量技术难以实现对高重频飞秒脉冲序列进行单帧实时全域测量。综上，如何实现对高重频、低能量飞秒脉冲的单帧全域表征，成为了限制超快光学进一步发展的关键技术瓶颈。

创新成果

LSSI-ISFC实验装置示意图

面对上述挑战，义理林教授课题组提出了一种智能单帧全域表征技术（ISFC），该技术将线性光谱剪切干涉（LSSI）与AI相结合，彻底摒弃了对非线性的依赖。研究团队利用色散傅里叶变换技术将时域延迟映射为频率剪切，并将光谱干涉条纹映射回时域，构建了一个完全基于干涉和色散等线性效应的测量系统。这种纯线性的物理机制大幅降低了对光脉冲能量的阈值要求，规避了紫外波段非线性晶体匮乏的难题。

利用LSSI-ISFC对可编程光谱滤波器的切换过程进行单帧全域表征

为了解决线性测量系统中存在的高阶色散参数校准困难及延迟抖动问题，研究团队引入了AI来替代传统的傅里叶变换重构算法。通过大量数据的训练，AI能够自动学习并适应系统的延迟抖动与高阶色散影响，直接从时域干涉图中一步到位地精准重构出脉冲的强度和相位信息。实验结果表明，该智能算法表现出了极强的鲁棒性，即便在低采样率和复杂环境噪声下，其脉冲重构精度仍远超传统傅里叶变换方法。

基于这一创新架构，实验系统展现出了卓越的性能指标。研究团队成功对平均能量仅为296.6pJ的飞秒脉冲进行了单帧全域表征，同时，系统实现了高达32.4MHz的测量帧率，成功捕捉并解析了可编程光谱滤波器亚毫秒级的动态切换过程。由于完全不依赖非线性效应，该技术不仅解决了低能量脉冲测量难题，更为未来探索紫外飞秒脉冲乃至阿秒脉冲的动力学特性提供了极具潜力的解决方案。

论文信息

义理林（左）、蒲国庆（右）

上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）长聘教轨副教授蒲国庆为第一作者，通讯作者为学院义理林教授和蒲国庆副教授。该工作得到了国家自然科学基金重大仪器项目、杰出青年基金项目、青年基金项目支持。

义理林教授领导的智能光纤系统实验室隶属于上海交通大学光子传输与通信全国重点实验室，旨在用智能技术解决光波在光纤中传输面临的关键挑战，主要面向光纤通信系统和光纤激光系统两个应用场景。智能光纤通信系统方向旨在解决长距光传输场景的非线性补偿问题和短距光接入场景的信道均衡问题，智能光纤激光系统方向旨在解决超快脉冲光纤激光器中的脉冲精确调控问题和高功率连续光纤激光器中的光谱精确调控问题。以上问题的解决分别涉及光纤非线性的补偿、利用和抑制，其共性关键问题为光纤非线性智能调控。