本文由論文作者團(tuán)隊(duì)投稿

▎導(dǎo)讀

自適應(yīng)光學(xué)是一種用于校正光學(xué)系統(tǒng)中由于相位像差引起的波前畸變的重要技術(shù)。它已被廣泛用于多種光學(xué)系統(tǒng)，如顯微鏡和天文望遠(yuǎn)鏡等。

然而，在諸多重要的光學(xué)系統(tǒng)中，偏振像差是一個(gè)普遍存在且影響更為嚴(yán)重的問(wèn)題。

這種偏振像差的引入可能是由于光線斜入射雙折射光學(xué)元件或與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物樣本或材料相互作用。它不僅引入了偏振誤差，還引起了額外的相位誤差（額外的結(jié)構(gòu)相和動(dòng)態(tài)相），從而影響了偏振信息的準(zhǔn)確性和成像分辨率。這種類型的復(fù)合誤差通常被稱為“矢量像差”。

它會(huì)對(duì)偏振敏感的和與干涉相關(guān)的高分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如斯托克斯/穆勒矩陣成像顯微鏡、熒光偏振顯微鏡、STED、SIM、及光刻系統(tǒng)。因此動(dòng)態(tài)校正矢量像差的新技術(shù)是亟需的。

近日，來(lái)自牛津大學(xué)何超講師、Martin J. Booth教授團(tuán)隊(duì)，以“Vectorial adaptive optics”為題，在eLight （Springer Nature）上發(fā)表研究文章。論文通訊作者為何超講師、Jacapo Antonello博士、Martin  J. Booth教授。

圖1：矢量自適應(yīng)光學(xué)：賦能光束校正新格局

這篇文章提出了三種動(dòng)態(tài)校正高維矢量像差的方法，將傳統(tǒng)相位自適應(yīng)光學(xué)擴(kuò)展到矢量領(lǐng)域。它系統(tǒng)地介紹了基于傳感器的直接測(cè)量方法、無(wú)傳感器的間接測(cè)量方法以及一種將兩者結(jié)合的間接測(cè)量矯正方法。矢量自適應(yīng)光學(xué)模塊由兩個(gè)部分組成：偏振調(diào)制模塊和相位調(diào)制模塊，均使用空間光調(diào)制器或變形鏡作為調(diào)制元件。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景分析了這三種矯正方法的可行性，并演示了它們?cè)诩m正常見(jiàn)的矢量像差方面的效果。這驗(yàn)證了矢量自適應(yīng)光學(xué)對(duì)偏振光場(chǎng)的正確性以及聚焦光斑質(zhì)量（系統(tǒng)分辨率）的提升。最后，作者們展望了矢量自適應(yīng)光學(xué)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)以及廣泛的應(yīng)用前景。

圖2：實(shí)施矢量自適應(yīng)光學(xué)的三種方法

▎基于傳感器的直接測(cè)量方法

此方法利用傳統(tǒng)的穆勒矩陣偏振計(jì)來(lái)直接測(cè)量矢量像差，以獲取其完整的偏振特性。通過(guò)精確調(diào)控加載在空間光調(diào)制器上的相位延遲，對(duì)矢量像差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，從而確保矢量像差之后的偏振場(chǎng)在空間上均勻分布。矢量像差引入的相位畸變以及空間光調(diào)制器引入的額外相位誤差會(huì)通過(guò)傳統(tǒng)的相位自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行校正，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量像差的補(bǔ)償。在這項(xiàng)研究中，作者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括：1）對(duì)隨機(jī)的任意矢量像差進(jìn)行校正，并展示了其與傳統(tǒng)相位自適應(yīng)光學(xué)校正效果的對(duì)比。2）對(duì)由梯度折射率透鏡引入的矢量像差進(jìn)行校正，驗(yàn)證了其對(duì)偏振場(chǎng)均勻性和聚焦光斑質(zhì)量的改進(jìn)效果。這些實(shí)驗(yàn)證明了矢量自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在校正矢量像差方面的有效性。

圖3：基于傳感器的矢量自適應(yīng)光學(xué)矯正效果

▎基于“準(zhǔn)”無(wú)傳感器的間接測(cè)量方法

此方法利用了一個(gè)透光方向與所需偏振場(chǎng)的偏振方向一致的偏振片，將其放置在探測(cè)器之前它通過(guò)記錄光線穿過(guò)偏振片后的光強(qiáng)來(lái)評(píng)估像差校正效果。方法的基本原理是當(dāng)輸出的光的偏振與偏振片的透光方向平行時(shí)，光強(qiáng)最大。因此，可以通過(guò)調(diào)整兩個(gè)空間光調(diào)制器上的相位延遲值，以使光瞳面上的每個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)達(dá)到最大值，作為校正效果的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的矢量像差校正。之后使用相位調(diào)制模塊來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)里所有的相位像差。在實(shí)驗(yàn)中，作者使用了傾斜放置的空間變換波片陣列以及一些常規(guī)的鏡子組作為矢量像差源，驗(yàn)證了這種方法對(duì)矢量像差的有效校正效果。

圖4：基于“準(zhǔn)”無(wú)傳感器的間接測(cè)量方法的矢量自適應(yīng)光學(xué)矯正效果

▎基于無(wú)傳感器的間接測(cè)量方法

此方法只需測(cè)量焦平面上聚焦光斑的光強(qiáng)值，從而估計(jì)和校正矢量像差。該方法基于許多應(yīng)用場(chǎng)景中可以獲取先驗(yàn)知識(shí)的事實(shí)。在這種情況下，對(duì)偏振像差的校準(zhǔn)可以采用類似傳統(tǒng)的無(wú)傳感器自適應(yīng)光學(xué)方法，通過(guò)不斷加載經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的相位延遲圖案到兩個(gè)空間光調(diào)制器和變形鏡上，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的偏振和相位共同模態(tài)轉(zhuǎn)換，從而通過(guò)評(píng)估圖像質(zhì)量來(lái)補(bǔ)償像差。與前面提到的兩種方法不同，這種方法需要設(shè)計(jì)一種全新的模態(tài)（包含偏振場(chǎng)和對(duì)應(yīng)的相位場(chǎng)）。作者利用校準(zhǔn)樣本和生物樣本切片驗(yàn)證了這一方法的有效性。

圖5：基于無(wú)傳感器矢量自適應(yīng)光學(xué)矯正效果

▎技術(shù)展望

在這項(xiàng)工作中，作者開(kāi)創(chuàng)性地提出了矢量自適應(yīng)光學(xué)的概念以及三種創(chuàng)新的校準(zhǔn)方法，這為不同場(chǎng)景和需求下的動(dòng)態(tài)像差校準(zhǔn)賦能了新的可能性。這項(xiàng)技術(shù)將在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，甚至顛覆其現(xiàn)有格局（見(jiàn)圖1），如：

1）生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域：矢量自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)有望進(jìn)一步提高超分辨顯微鏡的分辨率，特別是在深部組織成像方面。諸如偏振顯微鏡將能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高精度，其對(duì)于后續(xù)的醫(yī)學(xué)診斷和研究提供更可靠的生物物理學(xué)信息。

2）行星觀測(cè)領(lǐng)域：該技術(shù)的應(yīng)用可提高對(duì)行星觀測(cè)的成像質(zhì)量，尤其是通過(guò)引入偏振校準(zhǔn)這一維度。同時(shí)能夠精確測(cè)量來(lái)自行星的偏振光，這對(duì)于研究星系本身以及光線穿越星際介質(zhì)的過(guò)程具有重要意義。

3）光刻領(lǐng)域：新的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)覆蓋了偏振和相位的調(diào)制，能夠?yàn)樘嵘饪痰姆直媛蕵O限引入更精細(xì)的控制維度，有望對(duì)半導(dǎo)體芯片制造等行業(yè)產(chǎn)生重要影響，改善制程控制和產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。

綜上，矢量自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展有望在多個(gè)領(lǐng)域?yàn)榭茖W(xué)研究和工程應(yīng)用帶來(lái)顯著的創(chuàng)新，為未來(lái)的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)辟諸多新的可能性。

▎論文信息

Chao He, Jacopo Antonello, and Martin J. Booth. Vectorial adaptive optics. eLight 3, 23 (2023).

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00056-0 

▎項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介

何超，牛津大學(xué)講師（首席研究員/博士生導(dǎo)師），同時(shí)兼任牛津大學(xué)工程系矢量光學(xué)與光子學(xué)課題組組長(zhǎng)及實(shí)驗(yàn)室主任（Head of the Vectorial Optics and Photonics Group）。何超博士于2018年至2020年（2年內(nèi)）在牛津大學(xué)工程科學(xué)系完成博士學(xué)位，研究興趣集中在矢量光束操控、矢量光學(xué)測(cè)量等相關(guān)的技術(shù)上。何超博士已發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中包括在國(guó)際期刊Nature Communications, Light: Science & Applications, Optica, Advanced Photonics, eLight上以第一作者兼通訊作者發(fā)表論文；他也擔(dān)任Nature Photonics, Nature Communications, Light: Science & Applications等國(guó)際期刊的審稿人，兼任期刊Light: Advanced Manufacturing, Light: Science & Applications編委/客座主編。作為獨(dú)立PI（首席研究員），他主持了多個(gè)研究課題，個(gè)人獲得總資助超百萬(wàn)英鎊；作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，已有若干技術(shù)準(zhǔn)備落地，其團(tuán)隊(duì)已獲千萬(wàn)級(jí)別商業(yè)投資。

Martin Booth, 牛津大學(xué)教授（首席研究員/博士生導(dǎo)師），同時(shí)兼任牛津大學(xué)工程系常務(wù)副主任，牛津大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)主席，動(dòng)態(tài)光學(xué)與光子學(xué)課題組組長(zhǎng)及實(shí)驗(yàn)室主任（Head of the Dynamic Optics and Photonics Group）。Booth教授在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域享有國(guó)際盛譽(yù), 主要從事有源和自適應(yīng)光學(xué)器件的應(yīng)用研究。研究?jī)?nèi)容包括自適應(yīng)光學(xué)在顯微學(xué)中的應(yīng)用；用于生物醫(yī)學(xué)成像和材料表征的高分辨率和超分辨率顯微鏡，包括STORM，STED和SIM；光子器件開(kāi)發(fā)的光學(xué)微加工和制造等。在Nat. Photonics、Cell、Nat. Commun.、Light Sci. Appl、Optica等期刊發(fā)表論文170余篇，SCI引用超10000次。曾獲光學(xué)技術(shù)年輕研究員獎(jiǎng)，EPSRC高級(jí)研究員獎(jiǎng)，International Commission for Optics Prize等多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)高級(jí)光學(xué)技術(shù)學(xué)院客座教授；OSA、SPIE、IOP等國(guó)際組織的會(huì)士，英國(guó)皇家工程院會(huì)士。任Light Sci. Appl、INT J OPTOMECHATRONI編委。曾擔(dān)任Nature、Nat. Commun.、Light Sci. Appl、Optica等國(guó)際期刊審稿人。Booth教授擁有超過(guò)25項(xiàng)國(guó)際專利，兼任兩家高新科技公司的創(chuàng)始人（Aurox Ltd 與Opsydia Ltd）。

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