基于时间透镜的光信号处理具有系统元件少、功能强大的特点,可提供现有电信号处理系统所无法比拟的信号处理速度。作为光信号处理系统中的一种重要的光学器件,时间透镜的性能直接制约着光信号处理系统的性能提升。本论文在国家自然基金项目和校优秀博士创新基金项目的资助下,针对目前时间透镜及其在诸如光脉冲压缩、时频变换及时域成像等超快光信号处理应用中存在的问题,以新型时间透镜和超快光信号处理系统性能提升为突破口,开展了面向超快光信号处理的时间透镜的理论和实验研究工作。论文的主要创新成果如下：1.首次将畸变消除技术应用于基于线性时间透镜的时域成像、时间到频率映射和频率到时间映射信号处理系统。建立了系统高阶项畸变消除的理论模型,推导出高阶项畸变的消除条件,并通过数值仿真进行了验证。数值仿真结果表明,时间透镜和色散的高阶项均会给系统引入畸变,然而,当畸变消除条件满足时,两种畸变相互抵消,可以实现系统的无畸变输出。利用畸变消除技术可以简化系统的结构,在提升基于传统时间透镜的信号处理系统性能方面具有广泛的应用前景。2.建立了光脉冲在梯度折射率时间透镜传输的理论模型,首次讨论了利用交叉相位调制来实现梯度折射率时间透镜的理论方法,并相继提出了三种基于梯度折射率时间透镜的新型光信号处理应用——时域傅里叶变换、时域成像、时域滤波。由于梯度折射率时间透镜有效地将色散和时间透镜集成在一起,研究工作对光信号处理系统的简化有着重要的推动作用。3.提出了基于强度调制的时域Gabor波带片概念。建立了基于强度调制的时域Gabor波带片的理论模型和基于时域Gabor波带片的线性光脉冲压缩实验系统,从理论和实验两方面研究了时域Gabor波带片的性能。研究结果表明,时域Gabor波带片的调制幅度为一个半波电压Vπ、时域孔径约为1.88 ns、时间带宽积≤39,而基于电光二次相位调制的时间透镜的调制幅度需要十几个V,,时域孔径约为几十ps,时间带宽积≤13,因此,与基于传统的电光二次相位调制的时间透镜相比,时域Gabor波带片具有更大的时域孔径、更低的调制幅度和更大的时间带宽积,将基于时间透镜的线性光脉冲压缩系统的光脉冲压缩比由13提高到39。由于时域Gabor波带片采用正弦调制代替时域Fresnel波带片的矩形调制结构,大幅度降低了对调制信号带宽的要求,从而突破了限制时域波带片难以实现的瓶颈问题。4.提出了基于幅度调制的时域幅度型波带片概念,建立了基于幅度调制的时域幅度型波带片的理论模型,给出了时域幅度型波带片的主要性能参数。通过将时域幅度型波带片应用到线性光脉冲压缩系统中,使用与时域强度型Gabor波带片相同的实验设备,成功地将脉冲压缩的能量效率由6.25%提高到25%,并且将背景噪声由31.25%降低到25%。研究结果表明,时域幅度型波带片具有更高的能量效率和更低的背景噪声,是继时域强度Gabor波带片后,时域波带片的又一个新的突破。5.提出了基于相位调制的时域相位型波带片概念,建立了基于相位调制的时域相位型波带片的理论模型,并在实验中首次实现了时域相位型波带片。研究结果表明,相比时域强度型波带片和时域幅度型波带片,时域相位型波带片将能量效率提高到33.9%、将时域孔径提高到5.77 ns、将时域分辨率提高到22 ps、将时间带宽积提高到226。通过将时域波带片应用到线性光脉冲压缩中,成功地解决了基于时间透镜的线性光脉冲压缩技术中的难题,将光脉冲压缩比由13提高到226。6.提出了基于时域小孔的非相干光时域成像技术,首次将时域成像应用于非相干光领域。建立了基于时域小孔的非相干光时域成像系统的理论模型和实验系统,从理论和实验两方面研究了基于时域小孔的非相干光时域成像系统的性能。研究结果表明,基于时域小孔的非相干光时域成像系统的调制幅度为Vπ、时域孔径约为8 ns、时间带宽积约为162,远远高于基于电光二次时间透镜的相干光时域成像系统的性能参数。7.提出了基于时域Pinspeck的非相干光时域成像技术,建立了基于时域Pinspeck的非相干光时域成像系统的理论模型和实验系统,从理论和实验两方面研究了基于时域Pinspeck的非相干光时域成像系统的性能。研究结果表明,相比基于时域小孔的非相干光时域成像系统,基于时域Pinspeck的非相干光时域成像系统的能量效率提高了几十倍,有效地解决了基于时域小孔的非相干光时域成像系统能量效率过低的关键技术问题。