2022年3月17日，清華大學精密儀(yi) 器係先進激光技術研究團隊提出了一種基於(yu) 多模光纖模式色散和深度學習(xi) 的高速全光纖化成像方法，實現了千萬(wan) 幀率高速成像，該工作近期以“深度學習(xi) 賦能全光纖高速圖像探測”（All-fiber high-speed imagedetection enabled by deep learning）為(wei) 題發表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
圖1 高速多模光纖成像係統示意圖。a：實驗原理圖；b：以神經網絡進行圖像恢複的流程圖；c：光纖探頭示意圖；d：照明光（黃色箭頭）側(ce) 麵注入探測光纖的示意圖，信號光（紅色箭頭）在纖芯中傳(chuan) 播；e：探測光纖遠端照片，端麵通過燒球來更好地聚焦照明光，比例尺500微米。 該技術通過一個(ge) 光纖側(ce) 麵耦合器將皮秒脈衝(chong) 光纖激光耦合到探測光纖中，然後從(cong) 光纖的遠端出射照到物體(ti) 上，反射光進入探測光纖後緊接著進入與(yu) 之連接的一公裏長的50/125微米直徑多模階躍光纖中傳(chuan) 播。由於(yu) 模間色散的存在，進入多模光纖的脈衝(chong) 光會(hui) 產(chan) 生分裂形成脈衝(chong) 串。如圖2所示，不同的光纖橫模具有不同的群速度，因此在時域上會(hui) 彼此分離，而這些橫模包含了被探測圖像的空間信息，通過模式色散便可將被探測物體(ti) 的空域信息在時域上展開。 圖2 被探測圖像與(yu) 其對應的波形和恢複結果 通過超快光電探測器可以獲得脈衝(chong) 串波形，經神經網絡模型進行訓練後，可以直接從(cong) 不同的脈衝(chong) 波形中恢複出被探測圖像。圖3展示了來自不同數據庫中圖案的成像效果。 圖3 不同類型圖案的成像效果 團隊所提出的新技術的突出優(you) 點是：幀率主要由脈衝(chong) 光源的重頻決(jue) 定，成像幀率高；全光纖化的係統結構緊湊，細如發絲(si) 的探頭大大增加了靈活性；單像素成像，探測波段不再受限於(yu) 可見光，可擴展到近紅外、甚至中波紅外等其他波段；采集時域信號而非空間分布，抗幹擾能力強。該係統在某些高速成像場景中比如體(ti) 內(nei) 高速細胞成像，或工業(ye) 場景下對難以開放係統的內(nei) 部高速成像檢測等領域具有巨大應用潛力。 該研究成果近日以“深度學習(xi) 賦能全光纖高速圖像探測”（All-fiber high-speed image detection enabled by deep learning）為(wei) 題，發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。該論文通訊作者為(wei) 清華大學精密儀(yi) 器係副教授肖起榕，第一作者為(wei) 精密儀(yi) 器係2018級博士生劉洲天。該研究得到了國家自然科學基金資助。
清華大學精密儀(yi) 器係先進激光技術研究團隊學術帶頭人為(wei) 係主任、教授柳強，團隊以現代化強國建設與(yu) 國家重大需求為(wei) 導向，著眼於(yu) 光電子技術領域的科學與(yu) 技術發展前沿，圍繞固體(ti) 激光、光纖光學、自適應光學、激光探測等方向，開展基礎科學探索、應用基礎研究和係統技術研發，全麵覆蓋高功率激光光源、光束控製、光電探測等技術領域。團隊承擔國家科技重大專(zhuan) 項、國家重點研發計劃、“973”計劃、“863”計劃、重點驗證、專(zhuan) 項配套型號研究等一係列重大項目，形成了從(cong) 高功率激光光源到微弱光電信號測控的整套技術鏈條，具備完整的激光光電和測控技術能力，在相應研究方麵取得了重要進展。2018年獲批建設光子測控技術教育部重點實驗室，2019年入選重點領域科技創新團隊。 論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-022-29178-8
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