Дисперсионное преобразование Фурье с растяжением во времени
 | Эта статья может быть написана с точки зрения фаната , а не с нейтральной точки зрения . ( Октябрь 2014 г. ) |
Дисперсионное преобразование Фурье с растяжением по времени ( TS-DFT ), также известное как преобразование с растяжением во времени ( TST ), [1] временное преобразование Фурье или фотонное растяжение во времени ( PTS ) — это метод спектроскопии , который использует оптическую дисперсию вместо решетки или призмы света для разделения длин волн и анализа оптического спектра в режиме реального времени. [2] Он использует дисперсию групповой скорости ( ДГС ) для преобразования спектра широкополосного оптического импульса в растянутую во времени временную форму волны. 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 дисперсионным волокном и однопиксельным детектором, что обеспечивает сверхбыструю спектроскопию и визуализацию в реальном времени . Его неравномерный вариант, преобразование деформации-растяжения , реализованный с помощью нелинейной групповой задержки, предлагает выборку спектральной области с переменной скоростью, [3] а также возможность спроектировать произведение временной ширины огибающей сигнала так, чтобы оно соответствовало таковому у систем сбора данных, действующих как механизм передачи информации. [4]
Принцип работы
[ редактировать ]TS-DFT обычно используется в двухэтапном процессе. На первом этапе спектр оптического широкополосного импульса кодируется информацией (например, временной, пространственной или химической информацией), которую необходимо захватить. На следующем этапе закодированный спектр преобразуется с помощью большой дисперсии групповой скорости в замедленный временной сигнал. На данный момент сигнал достаточно замедлен, поэтому его можно оцифровать и обработать в режиме реального времени. Без временного растяжения одиночные сигналы будут слишком быстрыми, чтобы их можно было оцифровать с помощью аналого-цифровых преобразователей. Реализованный в оптической области, этот процесс выполняет ту же функцию, что и замедленное движение, используемое для просмотра быстрых событий в видео. В то время как замедленное видео представляет собой простой процесс воспроизведения уже записанного события, TS-DFT выполняет замедленное воспроизведение со скоростью света и до того, как сигнал будет захвачен. При необходимости сигнал 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, можно оцифровывать и анализировать с высокой частотой кадров. Трансформатор Фурье с растяжением во времени состоит из дисперсионного волокна с малыми потерями, которое также является рамановским усилителем. Для создания комбинационного усиления лазеры накачки подключаются к волокну с помощью мультиплексоров с разделением по длине волны, при этом длины волн лазеров накачки выбираются так, чтобы создать широкополосный и плоский профиль усиления, охватывающий спектр широкополосного оптического импульса. Вместо рамановского усиления перед дисперсионным 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 технология широкополосного аналого-цифрового преобразования. сверхширокополосные аналого-цифровые преобразователи ) [5] [6] а также использовался для высокопроизводительной спектроскопии в реальном времени. [7] [8] [9] и визуализация ( последовательная усиленная микроскопия с временным кодированием (STEAM) ). [10]
Связь с преобразованием фазового растяжения
[ редактировать ]Преобразование фазового растяжения или pST — это вычислительный подход к обработке сигналов и изображений. Одна из его утилит предназначена для обнаружения и классификации функций. Преобразование фазового растяжения является побочным продуктом исследований дисперсионного преобразования Фурье с растяжением во времени. он преобразует изображение, имитируя распространение через дифракционную среду с специально разработанным свойством трехмерной дисперсии (показателем преломления).
Однократный анализ спектрального шума в реальном времени
[ редактировать ]Недавно PTS стал использоваться для изучения оптических нелинейностей в волокнах. Корреляционные свойства как в спектральной, так и во временной областях можно вывести из однократных данных PTS для изучения стохастической природы оптических систем. А именно, нестабильность модуляции [11] и генерация суперконтиума [12] в сильно нелинейном волокне.
См. также
[ редактировать ]- Частотный спектр
- Спектральный анализ методом наименьших квадратов
- Аналого-цифровой преобразователь с растяжением времени
- Последовательная усиленная микроскопия с временным кодированием
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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]
- ^ Махджубфар, Ата; Чуркин Дмитрий В.; Барланд, Стефан; Бродерик, Нил; Турицын Сергей К.; Джалали, Бахрам (июнь 2017 г.). «Растяжение времени и его применение». Природная фотоника . 11 (6): 341–351. Бибкод : 2017NaPho..11..341M . дои : 10.1038/nphoton.2017.76 . ISSN 1749-4885 . S2CID 53511029 .
- ^ А. Махджубфар, К. Чен и Б. Джалали, «Проектирование искривленного растягивающего преобразования», Scientific Reports 5, 17148 (2015) doi: 10.1038/srep17148. [2]
- ^ Б. Джалали и А. Махджубфар, «Настройка широкополосных сигналов с помощью фотонного аппаратного ускорителя», Proceedings of the IEEE 103, 1071–1086 (2015) doi: 10.1109/JPROC.2015.2418538. [3]
- ^ А.С. Бхушан, Ф. Коппингер и Б. Джалали, «Аналогово-цифровое преобразование с растянутым во времени», Electronics Letters vol. 34, нет. 9, стр. 839–841, апрель 1998 г. [4]
- ^ Ю. Хан и Б. Джалали, «Фотонный аналого-цифровой преобразователь с растянутым во времени: фундаментальные концепции и практические соображения», Journal of Lightwave Technology , Vol. 21, выпуск 12, стр. 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]
- ^ Д. Р. Солли, Дж. Чоу и Б. Джалали, «Усиленное преобразование длины волны во времени 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). «Усиленное дисперсионное преобразование Фурье для сверхбыстрого измерения смещения и считывания штрих-кодов». Письма по прикладной физике . 93 (13): 131109. arXiv : 0807.4967 . Бибкод : 2008АпФЛ..93м1109Г . дои : 10.1063/1.2992064 . S2CID 34751462 .
- ^ Солли, Д.Р., Херинк, Г., Джалали, Б. и Роперс, К., «Флуктуации и корреляции в нестабильности модуляции» Nature Photon. 6, 463–468 (2012). [9]
- ^ Б. Ветцель, А. Стефани, Л. Ларгер, П. А. Лакур, Дж. М. Меролла, Т. Сильвестр, А. Кудлински, А. Муссо, Г. Дженти, Ф. Диас и Дж. М. Дадли, «Измерение полной полосы пропускания в реальном времени». спектрального шума в генерации суперконтинуума», НАУЧНЫЕ ДОКЛАДЫ, Том: 2, Номер статьи: 882, DOI: 10.1038/srep00882, Опубликовано: 28 НОЯБРЯ 2012 г. [10]