堪比“川剧变脸”！浙江科研团队打开多模光纤成像新“视”界

　　现代医疗和科研领域中，如何在狭小空间内实现高分辨率成像仍然是个重要课题。传统内窥镜虽然能部分满足需求，但仍存在数毫米粗的探头侵入性强等问题。

　　近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）极端光学技术与仪器研究院刘旭、杨青教授团队发表综述文章，系统总结了基于光场调控的多模光纤成像技术的最新进展，并分析了该技术的发展前景和挑战，为解决这一难题提供了新思路。

　　《激光与光电子学进展》封面上，一组川剧变脸图案引人注目。这不仅是艺术表达，更是对多模光纤成像技术的绝妙诠释：

就像变脸演员快速切换脸谱，脸谱的动态切换反映了光场调控前后的变化，并对应了一组典型的由螺旋相位产生涡旋光的过程；人物手中的光纤及其前后的光束展示了经调制的入射光场由多模光纤传输后可产生不同光场分布的过程，实现了对光纤输出光束的相位、光强、偏振等的调控。

　　传统内窥镜因探头粗大（数毫米），在检查时往往给患者带来不适。相较之下，多模光纤直径仅50-200微米（约头发丝粗细），却能承载数千光学模式，是理想的替代品。

　　但难题在于：光纤稍一弯曲，光信号就会像打翻的颜料盘一样混作一团，导致成像模糊。“传输中模式色散、模式耦合与弯曲形变导致的光场无序问题制约了其实际应用。”极端光学技术与仪器研究院文仲研究员介绍道。

　　将光场调控技术与数字相位共轭、传输矩阵、压缩感知和深度学习等方法结合，为这些问题的解决开辟了新途径，进而使得多模光纤成为了在体内窥成像的新工具。

　　多模光纤传输模式特性对外界扰动（如光纤弯曲形变、温度变化、应力等）十分敏感，尤其是对弯曲形变的敏感性，严重限制了多模光纤在内窥成像中的应用。

　　由此，研究人员曾提出了一系列多模光纤弯曲校正技术。“这些‘非接触式’的矫正技术，更符合内窥成像的实际应用场景（如图3所示），但还存在两个主要问题：一是需要复杂的光纤端面加工工艺，二是矫正速度不够快。”

　　2023年，刘旭、杨青教授研究团队设计的空间频率域追踪自适应信标光场编码（STABLE）方法突破了这个瓶颈：通过全矢量入射波前调控，实时监测光纤弯曲状态，最终实现了毫秒量级的追踪反馈速度（如图4所示），比人眨眼的速度还要快50倍。

　　基于光场调控的多模光纤成像技术是一种极具潜力的成像手段：在技术层面，多模光纤内窥镜研究已取得显著进展——通过传输矩阵法与压缩感知等技术，实现了复杂弯曲环境下的实时校准与高分辨率成像。

　　同时，在应用方面，多模光纤成像在生物医学领域为在体组织成像与内窥成像提供了新的工具，并在非线性成像和多模态成像等领域中取得应用。此外，多模光纤在光镊、光计算等领域也展现出了应用潜力。

　　文仲提到：正如综述封面寓意的那样，通过持续创新，这项技术终将实现从“实验室前沿”到“临床利器”的华丽变身，为人类打开观察微观世界的“新视界”，在更多交叉学科领域发挥作用。