eLight·封面 | 矢量自適應光學

本文由論文作者團隊投稿

▎導讀

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

然而，在諸多重要的光學系統中，偏振像差是一個普遍存在且影響更為嚴重的問題。

這種偏振像差的引入可能是由于光線斜入射雙折射光學元件或與復雜結構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（額外的結構相和動態相），從而影響了偏振信息的準確性和成像分辨率。這種類型的復合誤差通常被稱為“矢量像差”。

它會對偏振敏感的和與干涉相關的高分辨率的光學成像系統的性能產生嚴重影響，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。因此動態校正矢量像差的新技術是亟需的。

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

圖1：矢量自適應光學：賦能光束校正新格局

這篇文章提出了三種動態校正高維矢量像差的方法，將傳統相位自適應光學擴展到矢量領域。它系統地介紹了基于傳感器的直接測量方法、無傳感器的間接測量方法以及一種將兩者結合的間接測量矯正方法。矢量自適應光學模塊由兩個部分組成：偏振調制模塊和相位調制模塊，均使用空間光調制器或變形鏡作為調制元件。研究團隊根據不同的應用場景分析了這三種矯正方法的可行性，并演示了它們在糾正常見的矢量像差方面的效果。這驗證了矢量自適應光學對偏振光場的正確性以及聚焦光斑質量（系統分辨率）的提升。最后，作者們展望了矢量自適應光學未來的發展趨勢以及廣泛的應用前景。

圖2：實施矢量自適應光學的三種方法

▎基于傳感器的直接測量方法

此方法利用傳統的穆勒矩陣偏振計來直接測量矢量像差，以獲取其完整的偏振特性。通過精確調控加載在空間光調制器上的相位延遲，對矢量像差進行預補償，從而確保矢量像差之后的偏振場在空間上均勻分布。矢量像差引入的相位畸變以及空間光調制器引入的額外相位誤差會通過傳統的相位自適應光學技術進行校正，最終實現對矢量像差的補償。在這項研究中，作者進行了實驗驗證，包括：1）對隨機的任意矢量像差進行校正，并展示了其與傳統相位自適應光學校正效果的對比。2）對由梯度折射率透鏡引入的矢量像差進行校正，驗證了其對偏振場均勻性和聚焦光斑質量的改進效果。這些實驗證明了矢量自適應光學系統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光學矯正效果

▎基于“準”無傳感器的間接測量方法

此方法利用了一個透光方向與所需偏振場的偏振方向一致的偏振片，將其放置在探測器之前它通過記錄光線穿過偏振片后的光強來評估像差校正效果。方法的基本原理是當輸出的光的偏振與偏振片的透光方向平行時，光強最大。因此，可以通過調整兩個空間光調制器上的相位延遲值，以使光瞳面上的每個點的光強達到最大值，作為校正效果的評估標準，從而實現最佳的矢量像差校正。之后使用相位調制模塊來校準系統里所有的相位像差。在實驗中，作者使用了傾斜放置的空間變換波片陣列以及一些常規的鏡子組作為矢量像差源，驗證了這種方法對矢量像差的有效校正效果。

圖4：基于“準”無傳感器的間接測量方法的矢量自適應光學矯正效果

▎基于無傳感器的間接測量方法

此方法只需測量焦平面上聚焦光斑的光強值，從而估計和校正矢量像差。該方法基于許多應用場景中可以獲取先驗知識的事實。在這種情況下，對偏振像差的校準可以采用類似傳統的無傳感器自適應光學方法，通過不斷加載經過設計的相位延遲圖案到兩個空間光調制器和變形鏡上，以實現實時的偏振和相位共同模態轉換，從而通過評估圖像質量來補償像差。與前面提到的兩種方法不同，這種方法需要設計一種全新的模態（包含偏振場和對應的相位場）。作者利用校準樣本和生物樣本切片驗證了這一方法的有效性。

圖5：基于無傳感器矢量自適應光學矯正效果

▎技術展望

在這項工作中，作者開創性地提出了矢量自適應光學的概念以及三種創新的校準方法，這為不同場景和需求下的動態像差校準賦能了新的可能性。這項技術將在多個領域產生深遠影響，甚至顛覆其現有格局（見圖1），如：

1）生物醫學成像領域：矢量自適應光學技術有望進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實現高分辨率和高精度，其對于后續的醫學診斷和研究提供更可靠的生物物理學信息。

2）行星觀測領域：該技術的應用可提高對行星觀測的成像質量，尤其是通過引入偏振校準這一維度。同時能夠精確測量來自行星的偏振光，這對于研究星系本身以及光線穿越星際介質的過程具有重要意義。

3）光刻領域：新的自適應光學技術覆蓋了偏振和相位的調制，能夠為提升光刻的分辨率極限引入更精細的控制維度，有望對半導體芯片制造等行業產生重要影響，改善制程控制和產品質量，推動產業進步。

綜上，矢量自適應光學技術的發展有望在多個領域為科學研究和工程應用帶來顯著的創新，為未來的研究和產業發展開辟諸多新的可能性。

▎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 

▎項目負責人簡介

何超，牛津大學講師（首席研究員/博士生導師），同時兼任牛津大學工程系矢量光學與光子學課題組組長及實驗室主任（Head of the Vectorial Optics and Photonics Group）。何超博士于2018年至2020年（2年內）在牛津大學工程科學系完成博士學位，研究興趣集中在矢量光束操控、矢量光學測量等相關的技術上。何超博士已發表學術論文60余篇，其中包括在國際期刊Nature Communications, Light: Science & Applications, Optica, Advanced Photonics, eLight上以第一作者兼通訊作者發表論文；他也擔任Nature Photonics, Nature Communications, Light: Science & Applications等國際期刊的審稿人，兼任期刊Light: Advanced Manufacturing, Light: Science & Applications編委/客座主編。作為獨立PI（首席研究員），他主持了多個研究課題，個人獲得總資助超百萬英鎊；作為項目負責人，已有若干技術準備落地，其團隊已獲千萬級別商業投資。

Martin Booth, 牛津大學教授（首席研究員/博士生導師），同時兼任牛津大學工程系常務副主任，牛津大學光學與光子學主席，動態光學與光子學課題組組長及實驗室主任（Head of the Dynamic Optics and Photonics Group）。Booth教授在自適應光學領域享有國際盛譽, 主要從事有源和自適應光學器件的應用研究。研究內容包括自適應光學在顯微學中的應用；用于生物醫學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；光子器件開發的光學微加工和制造等。在Nat. Photonics、Cell、Nat. Commun.、Light Sci. Appl、Optica等期刊發表論文170余篇，SCI引用超10000次。曾獲光學技術年輕研究員獎，EPSRC高級研究員獎，International Commission for Optics Prize等多項獎項，埃爾蘭根-紐倫堡大學高級光學技術學院客座教授；OSA、SPIE、IOP等國際組織的會士，英國皇家工程院會士。任Light Sci. Appl、INT J OPTOMECHATRONI編委。曾擔任Nature、Nat. Commun.、Light Sci. Appl、Optica等國際期刊審稿人。Booth教授擁有超過25項國際專利，兼任兩家高新科技公司的創始人（Aurox Ltd 與Opsydia Ltd）。
 

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