超快时域光学测量系统将待测物理量通过全光信号变换的方法转换到时间轴上，从而利用高速单像素的光电探测器和信号采集电路进行快速连续地测量。然而，由于对时域探测系统包括光电探测器和实时示波器的带宽要求较高，超快时域光学测量也面临着测量分辨率上的挑战。同时，系统成本随着高速探测系统的使用而大大提升，降低了其实用性。此外，高探测带宽相应地要求高采样率，使得系统工作在连续实时的采集模式下时会产生高通量的数据，给后续的数据处理和存储带来很大的压力。
　　本论文以当前超快时域光学测量所面临的探测带宽受限问题入手，依次从信号带宽压缩、信号频谱合成以及系统光源三个不同层面研究了一些具体的解决方案，在有限的探测带宽下提升系统的测量分辨率。本论文的研究成果和贡献包括：
　　(1)研究了基于时空二相性的时域光学基本理论。系统地分析了几种典型的超快时域光学测量系统的分辨率限制因素，重点分析了探测带宽对测量分辨率的限制问题。
　　(2)从信号带宽压缩的思路出发，首先借助时域放大技术在不影响测量速率的前提下有效地降低了时域透镜射频谱仪的探测带宽要求，将频谱分辨率从31.7GHz提升到了1GHz，实现了超快高精度的射频谱测量系统。随后借助双光学频率梳异步光学采样技术，进一步将时域透镜射频谱仪的探测带宽要求降低到20MHz，频谱分辨率提升到100MHz。
　　(3)借鉴空间中的结构照明显微镜，本论文创新性地提出了时域结构照明探测技术。在光电探测器前通过电光调制器对宽带信号引入正弦的强度调制来进行频谱搬移，使得信号的不同频谱分量得以落入探测系统有限的带宽范围内。通过后续的频谱拼接合成算法，理论上可将现有探测带宽等效地拓展一倍。在仿真中该方法展示了将探测带宽从40GHz拓展到80GHz。在实验阶段，该方案在有限的探测带宽条件下将时域拉伸显微镜的成像分辨率从6μm提升到4μm。
　　(4)借鉴空间中的傅里叶叠层衍射显微镜，本论文创新性地提出了时域叠层衍射探测技术。将宽带信号进行频谱分割后再通过带宽受限的探测系统进行强度探测，基于不同频谱片段的强度测量结果可以通过迭代算法恢复出光信号的大带宽复频谱。在仿真中，该方案将探测带宽从20GHz拓展到了175GHz，为解决时域光学测量系统的带宽受限问题提供了新的思路。
　　(5)创新性地提出了基于双光梳时频映射的超快扫频光源。借助时域透镜的时频映射功能将双光梳系统的步进延时转换成波长的步进扫描，实现了腔外无机械部件的扫频机制。与时域拉伸光源相比，该扫频光源等效地实现了超大的色散拉伸系数，因此可以在90MHz的低探测带宽下实现pm量级的高光谱分辨率。该扫频光源应用于时域拉伸显微镜时，在保证高成像分辨率的同时将探测带宽要求从3.8GHz降低到了90MHz。