时间透镜具有和空间透镜类似的功能,能够对光脉冲进行展宽、压缩和傅里叶变换。通过时间透镜对超短脉冲进行时域放大,能够对超短脉冲的时域特性进行实时分析,极大的降低了对探测设备测量精度和响应速率的要求。此外,利用时间透镜对超短脉冲进行傅里叶变换,能够实现频域信息和时域信息相互转换,从而可以使用光电探测器对信号的频域信息进行实时表征和测量。因此,时间透镜在时间显微、时域成像以及光信号处理等领域具有很大的应用潜力和实用价值。本文开展了基于硅基波导四波混频的时间透镜及应用研究,能够实现超短脉冲的高倍率时域放大、傅里叶变换和高速光信号实时采样。主要的研究工作包括:1.详细分析了时间透镜的研究背景和意义,比较了时间透镜的不同实现方法和各自优缺点,总结了国内外时间透镜及应用的研究现状。2.基于时空二元性原理,通过对比近轴单色光在空间域中的衍射和窄带光脉冲在时域中色散传输特性,阐述了时间透镜的基本理论,分析了时域成像和傅里叶变换的产生条件。3.优化设计了一种适用于中红外波段的低传输损耗锗硅微纳波导。研究了光在波导中的传输理论,以及波导结构参数对波导色散和非线性的影响,实现了一种具有宽带低平坦色散和高非线性的中红外锗硅微纳波导;建立了中红外超短脉冲在波导中传输的耦合模方程,研究了泵浦光功率、信号光功率和波导长度等对四波混频过程的影响,通过优化设计注入光功率和波导长度等参数,获得了高效、宽带的四波混频过程。4.研究了基于片上四波混频的时间透镜技术。分析了高阶色散、三光子吸收、自由载流子效应、自相位调制及交叉相位调制等因素对时域成像的影响,发现三阶色散会导致输出波形展宽和失真,四阶色散会引起输出波形的压缩,三光子吸收和自由载流子效应会导致输出波形畸变和转化效率;自相位调制和交叉相位调制也会使波形产生畸变。通过优化设计输入色散、四波混频和输出色散等单元,实现了大于500倍的中红外超短脉冲时域放大、高速光脉冲采样和傅里叶变换,为超短脉冲的实时测量和超高速光信号处理提供了新的技术途径。