2022年3月17日，清華大學(xué)精密儀器系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多模光纖模式色散和深度學(xué)習(xí)的高速全光纖化成像方法，實(shí)現(xiàn)了千萬幀率高速成像，該工作近期以“深度學(xué)習(xí)賦能全光纖高速圖像探測”（All-fiber high-speed imagedetection enabled by deep learning）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
圖1 高速多模光纖成像系統(tǒng)示意圖。a：實(shí)驗(yàn)原理圖；b：以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像恢復(fù)的流程圖；c：光纖探頭示意圖；d：照明光（黃色箭頭）側(cè)面注入探測光纖的示意圖，信號光（紅色箭頭）在纖芯中傳播；e：探測光纖遠(yuǎn)端照片，端面通過燒球來更好地聚焦照明光，比例尺500微米。 該技術(shù)通過一個光纖側(cè)面耦合器將皮秒脈沖光纖激光耦合到探測光纖中，然后從光纖的遠(yuǎn)端出射照到物體上，反射光進(jìn)入探測光纖后緊接著進(jìn)入與之連接的一公里長的50/125微米直徑多模階躍光纖中傳播。由于模間色散的存在，進(jìn)入多模光纖的脈沖光會產(chǎn)生分裂形成脈沖串。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的空域信息在時域上展開。 圖2 被探測圖像與其對應(yīng)的波形和恢復(fù)結(jié)果 通過超快光電探測器可以獲得脈沖串波形，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練后，可以直接從不同的脈沖波形中恢復(fù)出被探測圖像。圖3展示了來自不同數(shù)據(jù)庫中圖案的成像效果。 圖3 不同類型圖案的成像效果 團(tuán)隊(duì)所提出的新技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是：幀率主要由脈沖光源的重頻決定，成像幀率高；全光纖化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，細(xì)如發(fā)絲的探頭大大增加了靈活性；單像素成像，探測波段不再受限于可見光，可擴(kuò)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，抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)在某些高速成像場景中比如體內(nèi)高速細(xì)胞成像，或工業(yè)場景下對難以開放系統(tǒng)的內(nèi)部高速成像檢測等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。 該研究成果近日以“深度學(xué)習(xí)賦能全光纖高速圖像探測”（All-fiber high-speed image detection enabled by deep learning）為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。該論文通訊作者為清華大學(xué)精密儀器系副教授肖起榕，第一作者為精密儀器系2018級博士生劉洲天。該研究得到了國家自然科學(xué)基金資助。
清華大學(xué)精密儀器系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人為系主任、教授柳強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)以現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)與國家重大需求為導(dǎo)向，著眼于光電子技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)發(fā)展前沿，圍繞固體激光、光纖光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、激光探測等方向，開展基礎(chǔ)科學(xué)探索、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)，全面覆蓋高功率激光光源、光束控制、光電探測等技術(shù)領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家科技重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、“973”計劃、“863”計劃、重點(diǎn)驗(yàn)證、專項(xiàng)配套型號研究等一系列重大項(xiàng)目，形成了從高功率激光光源到微弱光電信號測控的整套技術(shù)鏈條，具備完整的激光光電和測控技術(shù)能力，在相應(yīng)研究方面取得了重要進(jìn)展。2018年獲批建設(shè)光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2019年入選重點(diǎn)領(lǐng)域科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。 論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-022-29178-8
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