一种基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法

本发明涉及一种双色超短激光脉冲反演算法，特别涉及一种基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法。

背景技术：

1、近年来，激光技术在科学研究、工业生产和医学诊疗领域发挥着重要作用，其中，双色超短激光脉冲成为了研究的热点之一，例如：利用双色超短激光脉冲进行新型台式光源的开发、实现多种光谱技术的实施、通过量子控制、激发或解离来实现对原子和分子系统中超快动力学的更高级控制等。双色超短激光脉冲在超快光学、材料科学、光化学反应、精密测量和量子信息等领域具有广阔的应用前景。

2、双色超短激光脉冲通常具有复杂的波形、频率和相位结构，对其精确测量对于双色超短激光脉冲在很多领域的应用至关重要。常用的频率分辨光学开关(frog)法被广泛应用于对超短激光脉冲的测量中，其常见的反演算法是广义投影算法，但是将现有的基于频率分辨光学开关的超短激光脉冲反演算法用于双色超短激光脉冲测量时，现有算法存在不能计算出脉冲的啁啾正负、迭代时间较长和收敛性较差等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法，以解决采用现有的基于频率分辨光学开关的超短激光脉冲反演算法对双色超短激光脉冲进行测量时，现有算法存在不能计算出脉冲的啁啾正负、迭代时间较长和收敛性较差的技术问题。

2、本发明的发明构思是：首先对长波脉冲中，与含有延时信息的信号平方成正比的三阶自相关信号进行反演运算，准确计算出长波脉冲的波形、脉宽和相位等脉冲特性信息，然后结合双色超短激光脉冲中，与不含有延时信息的短波脉冲信号平方和含有延时信息的长波脉冲信号均成正比的三阶互相关信号，反演计算出短波脉冲的多种脉冲特性信息。

3、为实现上述发明目的、完成上述发明构思，本发明所采用的技术方案是：

4、一种基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

5、步骤1：采集待测双色超短激光脉冲中波长相对较长的长波脉冲的三阶自相关行迹数据和双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据；将待测双色超短激光脉冲中波长相对较短的脉冲定义为短波脉冲；

6、步骤2：将步骤1中采集的所述长波脉冲的三阶自相关行迹数据和双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据分别进行整合，得到长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵和双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵，然后将该两个方阵一一对应地分别读入自相关反演程序和互相关反演程序中；

7、步骤3：运行自相关反演程序，对步骤2中读入的长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵进行反演运算，得到长波脉冲的脉冲特性数据，该长波脉冲的脉冲特性数据为一个列向量；

8、步骤4：将步骤3中得到的长波脉冲的脉冲特性数据读入互相关反演程序中；

9、步骤5：运行互相关反演程序，对步骤2中读入的双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵和步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据，采用循环迭代算法进行反演运算，且每次迭代过程中，先计算得到修正后的互相关行迹数据计算值方阵；然后将修正后的互相关行迹数据计算值方阵与步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据进行矩阵与向量的除法运算，得到本次迭代中对应的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值，所述本次迭代中对应的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值为一个列向量；当满足设定的互相关迭代终止条件后，将最后一次迭代中计算得到的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值进行向量的开方运算，即得到短波脉冲的脉冲特性数据，反演运算完成。

10、进一步地，为了能够反演计算出待测双色超短激光脉冲中长波脉冲和短波脉冲的多项脉冲特性信息，步骤1中，采集的所述长波脉冲的三阶自相关行迹数据和双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据均包括含有延时信息和不含有延时信息的光束成分的光谱信息数据。

11、进一步地，步骤2中，读入的所述长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵所表达的三阶自相关产生光的电场强度，与含有延时信息的长波脉冲电场强度的平方成正比，与不含有延时信息的长波脉冲电场强度成正比；

12、读入的所述双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵所表达的三阶互相关产生光的电场强度，与含有延时信息的长波脉冲电场强度成正比，与不含有延时信息的短波脉冲电场强度的平方成正比。

13、这样，能够反演计算出待测双色超短激光脉冲中长波脉冲和短波脉冲的多项脉冲特性信息。

14、进一步地，为了避免方阵太小，采样点少，测量不精确，以及方阵过大，运算量大，且方阵大到一定程度，方阵大小的改变对精度几乎没有影响情况的发生，步骤2中整合得到的所述长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵和双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵的大小均为512×512或者均为1024×1024。

15、进一步地，步骤3中，所述运行自相关反演程序，对步骤2中读入的长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵进行反演运算，得到长波脉冲的脉冲特性数据时，采用循环迭代算法，具体为：

16、步骤3.1：计算首次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

17、步骤3.1.1：将初始设定的列向量格式的长波脉冲的脉冲特性数据，与将其先转置，然后再进行向量平方运算所得到的行向量，二者相乘，计算得到首次迭代中对应的自相关行迹数据计算值方阵；

18、步骤3.1.2：根据步骤2中读入的长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵，采用与频率分辨光学开关的pcgpa相同的定义计算自相关修正系数，然后将步骤3.1.1中计算得到的首次迭代中对应的自相关行迹数据计算值方阵与该自相关修正系数相乘，计算得到首次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵；

19、步骤3.1.3：根据步骤3.1.2中计算得到的首次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵，采用主要成分广义投影法或特征根分解法，计算得到首次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

20、步骤3.2：计算非首次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

21、步骤3.2.1：将上一次迭代中得到的所述长波脉冲的脉冲特性数据，与将其先转置，然后再进行向量平方运算所得到的行向量，二者相乘，计算得到本次迭代中对应的自相关行迹数据计算值方阵；

22、步骤3.2.2：根据步骤2中读入的长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵，采用与频率分辨光学开关的pcgpa相同的定义计算自相关修正系数，然后将步骤3.2.1中计算得到的本次迭代中对应的自相关行迹数据计算值方阵与该自相关修正系数相乘，计算得到本次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵；

23、步骤3.2.3：将步骤3.2.2中计算得到的本次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵，采用主要成分广义投影法或特征根分解法，计算得到本次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

24、步骤3.3：判断是否满足设定的自相关迭代终止条件；若未满足，则循环执行步骤3.2，直至满足设定的自相关迭代终止条件；若满足，则迭代终止，将整个循环中误差最小的一次循环中计算得到的长波脉冲的脉冲特性数据作为反演运算最终得到的长波脉冲的脉冲特性数据。

25、进一步地，步骤3.1.3中，采用主要成分广义投影法时，具体为：将步骤3.1.2中计算得到的首次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵作为算子先与自身的复共轭矩阵相乘；然后再与步骤3.1.1中所述的初始设定的列向量格式的长波脉冲的脉冲特性数据相乘，计算得到首次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

26、步骤3.1.3中，采用特征根分解法时，具体为：将步骤3.1.2中计算得到的首次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵进行特征根分解，得到的最大特征值对应的列向量即为首次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

27、步骤3.2.3中，采用主要成分广义投影法时，具体为：将步骤3.2.2中计算得到的本次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵作为算子先与自身的复共轭矩阵相乘；然后再与上一次迭代中得到的长波脉冲的脉冲特性数据相乘，计算得到本次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

28、步骤3.2.3中，采用特征根分解法时，具体为：将步骤3.2.2中计算得到的本次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵进行特征根分解，得到的最大特征值对应的列向量即为本次迭代中对应的长波脉冲的脉冲特性数据；

29、步骤3.3中，所述设定的自相关迭代终止条件为：当循环迭代次数大于设定的最大自相关循环迭代次数，或者步骤3.2.2中计算得到的本次迭代中对应的修正后的自相关行迹数据计算值方阵对应的误差值，小于设定的自相关行迹数据可以接受的最大误差值时，迭代终止。

30、进一步地，步骤5中，所述运行互相关反演程序，对步骤2中读入的双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵和步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据，采用循环迭代算法进行反演运算，具体为：

31、步骤5.1：计算首次迭代中对应的短波脉冲的脉冲特性数据；

32、步骤5.1.1：将初始设定的列向量格式的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值，与步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据转置后的行向量相乘，计算得到首次迭代中对应的互相关行迹数据计算值方阵；

33、步骤5.1.2：根据步骤2中读入的双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵，采用与频率分辨光学开关的pcgpa相同的定义计算互相关修正系数，然后将步骤5.1.1中计算得到的首次迭代中对应的互相关行迹数据计算值方阵与该互相关修正系数相乘，计算得到首次迭代中对应的修正后的互相关行迹数据计算值方阵；

34、步骤5.1.3：将步骤5.1.2中计算得到的首次迭代中对应的修正后的互相关行迹数据计算值方阵，与步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据进行矩阵与向量的除法运算，计算得到首次迭代中对应的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值；

35、步骤5.2：计算非首次迭代中对应的短波脉冲的脉冲特性数据；

36、步骤5.2.1：将上一次迭代中得到的所述短波脉冲的脉冲特性数据的平方值，与步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据转置后的行向量相乘，计算得到本次迭代中对应的互相关行迹数据计算值方阵；

37、步骤5.2.2：根据步骤2中读入的双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵，采用与频率分辨光学开关的pcgpa相同的定义计算互相关修正系数，然后将步骤5.2.1中计算得到的本次迭代中对应的互相关行迹数据计算值方阵与该互相关修正系数相乘，计算得到本次迭代中对应的修正后的互相关行迹数据计算值方阵；

38、步骤5.2.3：将步骤5.2.2中计算得到的本次迭代中对应的修正后的互相关行迹数据计算值方阵，与步骤4中读入的长波脉冲的脉冲特性数据进行矩阵与向量的除法运算，计算得到本次迭代中对应的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值；

39、步骤5.3：判断是否满足设定的互相关迭代终止条件；若未满足，则循环执行步骤5.2，直至满足设定的互相关迭代终止条件；若满足，则迭代终止，将步骤5.2.3的最后一次迭代中计算得到的短波脉冲的脉冲特性数据的平方值进行向量的开方运算，即得到短波脉冲的脉冲特性数据，反演运算完成。

40、进一步地，步骤5.3中，所述设定的互相关迭代终止条件为：当循环迭代次数大于设定的最大互相关循环迭代次数，或者步骤5.2.2中计算得到的本次迭代中对应的修正后的互相关行迹数据计算值方阵对应的误差值，小于设定的互相关行迹数据可以接受的最大误差值时，迭代终止。

41、进一步地，为了在自相关反演程序反演运算结束后，能及时观察反演得到的长波脉冲的脉冲特性，所述步骤4具体为：将步骤3中得到的长波脉冲的脉冲特性数据先导出，然后再读入互相关反演程序中。

42、进一步地，步骤2中，所述的自相关反演程序和互相关反演程序为两个独立的程序或者为一个大程序的两个模块。

43、本发明的有益效果是：

44、(1)本发明的基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法，反演运算输入的是长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵和双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵，这样，在将本发明的基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法用于双色超短激光脉冲测量的反演计算时，能够反演计算出脉冲的啁啾正负；其次，本发明的基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法，在运行互相关反演程序，采用循环迭代算法进行反演运算时，运用了矩阵与向量的除法运算，其相对于通常的乘法运算，计算的收敛性更好，迭代时间更短；因此，本发明解决了采用现有的基于频率分辨光学开关的超短激光脉冲反演算法对双色超短激光脉冲进行测量时，现有算法存在不能计算出脉冲的啁啾正负、迭代时间较长和收敛性较差的技术问题。采用本发明的基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法进行反演运算时，整个程序运行时间在3分钟以内，反演运算效率高。

45、(2)本发明的基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法中，优选步骤2中读入的长波脉冲的三阶自相关行迹数据方阵所表达的三阶自相关产生光的电场强度，与含有延时信息的长波脉冲电场强度的平方成正比，与不含有延时信息的长波脉冲电场强度成正比；读入的双色超短激光脉冲的三阶互相关行迹数据方阵所表达的三阶互相关产生光的电场强度，与含有延时信息的长波脉冲电场强度成正比，与不含有延时信息的短波脉冲电场强度的平方成正比，这样，采用本发明的基于频率分辨光学开关的双色超短激光脉冲反演算法，能够反演计算出待测双色超短激光脉冲中长波脉冲和短波脉冲的多项脉冲特性信息。