Дисперсионное преобразование Фурье во времени ( TS-DFT ), иначе известное как преобразование растяжения во времени ( TST ), [1] временное преобразование Фурье или фотонное преобразование во времени ( PTS ) - это метод спектроскопии , который использует оптическую дисперсию вместо решетки или призмы. для разделения длин волн света и анализа оптического спектра в реальном времени. [2] Он использует дисперсию групповой скорости ( GVD) для преобразования спектра широкополосного оптического импульса во временную форму волны, растянутую во времени. Он используется для выполнения преобразования Фурье оптического сигнала на однократной основе и с высокой частотой кадров для анализа быстрых динамических процессов в реальном времени. Он заменяет дифракционную решетку и матрицу детекторов на дисперсионное волокно и однопиксельный детектор, обеспечивая сверхбыструю спектроскопию и визуализацию в реальном времени . Его неоднородный вариант, преобразование деформированного растяжения , реализованное с нелинейной групповой задержкой, предлагает выборку в спектральной области с переменной скоростью [3], а также возможность спроектировать произведение временной полосы огибающей сигнала, чтобы оно соответствовало таковому в системах сбора данных. действует как информационный редуктор. [4]
Принцип работы
TS-DFT обычно используется в двухэтапном процессе. На первом этапе спектр оптического широкополосного импульса кодируется записываемой информацией (например, временной, пространственной или химической информацией). На следующем этапе закодированный спектр преобразуется с помощью большой дисперсии групповой скорости в замедленную временную форму волны. На данный момент форма волны достаточно замедлена, чтобы ее можно было оцифровать и обработать в реальном времени. Без растяжения по времени одиночные сигналы будут слишком быстрыми для оцифровки аналого-цифровыми преобразователями. Реализованный в оптической области, этот процесс выполняет ту же функцию, что и медленное движение, используемое для просмотра быстрых событий в видео. В то время как замедленное воспроизведение видео - это простой процесс воспроизведения уже записанного события, TS-DFT выполняет замедленное воспроизведение со скоростью света до захвата сигнала. При необходимости форма волны одновременно усиливается в дисперсионном волокне за счет процесса вынужденного комбинационного рассеяния света . Это оптическое усиление преодолевает тепловой шум, который в противном случае ограничивал бы чувствительность при обнаружении в реальном времени. Последующие оптические импульсы выполняют повторяющиеся измерения с частотой кадров импульсного лазера. Следовательно, однократные оптические спектры, несущие информацию о быстрых динамических процессах, могут быть оцифрованы и проанализированы с высокой частотой кадров. Трансформатор Фурье с дисперсией во времени состоит из дисперсионного волокна с низкими потерями, которое также является рамановским усилителем. Для создания рамановского усиления лазеры накачки подключаются к волокну с помощью мультиплексоров с разделением по длине волны, причем длины волн лазеров накачки выбираются для создания широкополосного и плоского профиля усиления, который покрывает спектр широкополосного оптического импульса. Вместо рамановского усиления перед диспергирующим волокном можно разместить дискретный усилитель, такой как оптический усилитель, легированный эрбием, или полупроводниковый оптический усилитель. Однако распределенный характер рамановского усиления обеспечивает превосходное соотношение сигнал / шум. Дисперсионное преобразование Фурье зарекомендовало себя как эффективная технология для широкополосного аналого-цифрового преобразования ( сверхширокополосные аналого-цифровые преобразователи ) [5] [6], а также использовалось для высокопроизводительной спектроскопии в реальном времени [7] [8] [ 9] и визуализации ( последовательная временная амплифицированная микроскопия (STEAM) ). [10]
Связь с фазовым преобразованием растяжения
Преобразование растяжения фазы или pST - это вычислительный подход к обработке сигналов и изображений. Одна из его утилит предназначена для обнаружения и классификации признаков. Преобразование растяжения фазы является побочным продуктом исследований дисперсионного преобразования Фурье во времени. он преобразует изображение, имитируя распространение через дифракционную среду со спроектированным трехмерным дисперсионным свойством (показателем преломления).
Однократный анализ спектрального шума в реальном времени
В последнее время PTS стали использовать для исследования оптических нелинейностей в волокнах. Корреляционные свойства как в спектральной, так и во временной областях могут быть выведены из однократных данных PTS для изучения стохастической природы оптических систем. А именно, изучались модуляционная неустойчивость [11] и генерация суперконтиуума [12] в сильно нелинейном волокне.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ К. Года и Б. Джалали, "Дисперсионное преобразование Фурье для быстрых непрерывных однократных измерений", Nature Photonics 7, 102–112 (2013) doi: 10.1038 / nphoton.2012.359. [1]
- ^ Mahjoubfar Ата; Чуркин, Дмитрий В .; Барланд, Стефан; Бродерик, Нил; Турицын, Сергей К .; Джалали, Бахрам (июнь 2017 г.). «Растяжка времени и ее приложения». Природа Фотоника . 11 (6): 341–351. Bibcode : 2017NaPho..11..341M . DOI : 10.1038 / nphoton.2017.76 . ISSN 1749-4885 .
- ^ А. Mahjoubfar, С. Чен, и Б. Jalali, "Дизайн деформированные Stretch Transform," Научные доклады 5, 17148 (2015) DOI: 10.1038 / srep17148. [2]
- ^ Б. Джалали и А. Махджубфар, «Настройка широкополосных сигналов с помощью фотонного аппаратного ускорителя», Протоколы IEEE 103, 1071-1086 (2015) doi: 10.1109 / JPROC.2015.2418538. [3]
- ^ А.С. Бушан, Ф. Коппингер и Б. Джалали, "Растянутое во времени аналого-цифровое преобразование", Electronics Letters vol. 34, нет. 9, pp. 839–841, апрель 1998 г. [4]
- ↑ Y. Han и B. Jalali, "Фотонный растянутый во времени аналого-цифровой преобразователь: фундаментальные концепции и практические соображения", Journal of Lightwave Technology , Vol. 21, Issue 12, pp. 3085–3103, декабрь 2003 г. [5]
- ^ П. Келкар, Ф. Коппингер, А.С. Бхушан и Б. Джалали, "Оптическое зондирование во временной области", Electronics Letters 35, 1661 (1999) [6]
- ^ DR Солли, Дж. Чоу и Б. Джалали, «Усиленное преобразование длины волны во время для спектроскопии в реальном времени», Nature Photonics 2, 48-51, 2008. [7]
- ^ Дж. Чоу, Д. Солли и Б. Джалали, «Спектроскопия в реальном времени с субгигагерцовым разрешением с использованием усиленного дисперсионного преобразования Фурье», Applied Physics Letters 92, 111102, 2008. [8]
- ^ К. Года; К.К. Циа и Б. Джалали (2008). «Визуализация с усиленным дисперсионным преобразованием Фурье для сверхбыстрого обнаружения смещения и считывания штрих-кода». Письма по прикладной физике . 93 (13): 131109. arXiv : 0807.4967 . Bibcode : 2008ApPhL..93m1109G . DOI : 10.1063 / 1.2992064 .
- ^ Солли, Д.Р., Херинк, Г., Джалали, Б. и Роперс, К., "Колебания и корреляции в модуляционной нестабильности" Nature Photon. 6. С. 463–468 (2012). [9]
- ^ Б. Ветцель, А. Стефани, Л. Ларджер, П. А. Лакур, Дж. М. Меролла, Т. Сильвестр, А. Кудлински, А. Муссо, Г. Генти, Ф. Диас и Дж. М. Дадли, "Измерение полной полосы пропускания в реальном времени спектрального шума при генерации суперконтинуума », НАУЧНЫЕ ОТЧЕТЫ, Том: 2, Номер статьи: 882, DOI: 10.1038 / srep00882, Опубликовано: 28 ноября 2012 г. [10]