eLight·封面 | 矢量自适应光学

本文由论文作者团队投稿

▎导读

自适应光学是一种用于校正光学系统中由于相位像差引起的波前畸变的重要技术。它已被广泛用于多种光学系统，如显微镜和天文望远镜等。

然而，在诸多重要的光学系统中，偏振像差是一个普遍存在且影响更为严重的问题。

这种偏振像差的引入可能是由于光线斜入射双折射光学元件或与复杂结构的生物样本或材料相互作用。它不仅引入了偏振误差，还引起了额外的相位误差（额外的结构相和动态相），从而影响了偏振信息的准确性和成像分辨率。这种类型的复合误差通常被称为“矢量像差”。

它会对偏振敏感的和与干涉相关的高分辨率的光学成像系统的性能产生严重影响，如斯托克斯/穆勒矩阵成像显微镜、荧光偏振显微镜、STED、SIM、及光刻系统。因此动态校正矢量像差的新技术是亟需的。

近日，来自牛津大学何超讲师、Martin J. Booth教授团队，以“Vectorial adaptive optics”为题，在eLight （Springer Nature）上发表研究文章。论文通讯作者为何超讲师、Jacapo Antonello博士、Martin  J. Booth教授。

图1：矢量自适应光学：赋能光束校正新格局

这篇文章提出了三种动态校正高维矢量像差的方法，将传统相位自适应光学扩展到矢量领域。它系统地介绍了基于传感器的直接测量方法、无传感器的间接测量方法以及一种将两者结合的间接测量矫正方法。矢量自适应光学模块由两个部分组成：偏振调制模块和相位调制模块，均使用空间光调制器或变形镜作为调制元件。研究团队根据不同的应用场景分析了这三种矫正方法的可行性，并演示了它们在纠正常见的矢量像差方面的效果。这验证了矢量自适应光学对偏振光场的正确性以及聚焦光斑质量（系统分辨率）的提升。最后，作者们展望了矢量自适应光学未来的发展趋势以及广泛的应用前景。

图2：实施矢量自适应光学的三种方法

▎基于传感器的直接测量方法

此方法利用传统的穆勒矩阵偏振计来直接测量矢量像差，以获取其完整的偏振特性。通过精确调控加载在空间光调制器上的相位延迟，对矢量像差进行预补偿，从而确保矢量像差之后的偏振场在空间上均匀分布。矢量像差引入的相位畸变以及空间光调制器引入的额外相位误差会通过传统的相位自适应光学技术进行校正，最终实现对矢量像差的补偿。在这项研究中，作者进行了实验验证，包括：1）对随机的任意矢量像差进行校正，并展示了其与传统相位自适应光学校正效果的对比。2）对由梯度折射率透镜引入的矢量像差进行校正，验证了其对偏振场均匀性和聚焦光斑质量的改进效果。这些实验证明了矢量自适应光学系统在校正矢量像差方面的有效性。

图3：基于传感器的矢量自适应光学矫正效果

▎基于“准”无传感器的间接测量方法

此方法利用了一个透光方向与所需偏振场的偏振方向一致的偏振片，将其放置在探测器之前它通过记录光线穿过偏振片后的光强来评估像差校正效果。方法的基本原理是当输出的光的偏振与偏振片的透光方向平行时，光强最大。因此，可以通过调整两个空间光调制器上的相位延迟值，以使光瞳面上的每个点的光强达到最大值，作为校正效果的评估标准，从而实现最佳的矢量像差校正。之后使用相位调制模块来校准系统里所有的相位像差。在实验中，作者使用了倾斜放置的空间变换波片阵列以及一些常规的镜子组作为矢量像差源，验证了这种方法对矢量像差的有效校正效果。

图4：基于“准”无传感器的间接测量方法的矢量自适应光学矫正效果

▎基于无传感器的间接测量方法

此方法只需测量焦平面上聚焦光斑的光强值，从而估计和校正矢量像差。该方法基于许多应用场景中可以获取先验知识的事实。在这种情况下，对偏振像差的校准可以采用类似传统的无传感器自适应光学方法，通过不断加载经过设计的相位延迟图案到两个空间光调制器和变形镜上，以实现实时的偏振和相位共同模态转换，从而通过评估图像质量来补偿像差。与前面提到的两种方法不同，这种方法需要设计一种全新的模态（包含偏振场和对应的相位场）。作者利用校准样本和生物样本切片验证了这一方法的有效性。

图5：基于无传感器矢量自适应光学矫正效果

▎技术展望

在这项工作中，作者开创性地提出了矢量自适应光学的概念以及三种创新的校准方法，这为不同场景和需求下的动态像差校准赋能了新的可能性。这项技术将在多个领域产生深远影响，甚至颠覆其现有格局（见图1），如：

1）生物医学成像领域：矢量自适应光学技术有望进一步提高超分辨显微镜的分辨率，特别是在深部组织成像方面。诸如偏振显微镜将能够实现高分辨率和高精度，其对于后续的医学诊断和研究提供更可靠的生物物理学信息。

2）行星观测领域：该技术的应用可提高对行星观测的成像质量，尤其是通过引入偏振校准这一维度。同时能够精确测量来自行星的偏振光，这对于研究星系本身以及光线穿越星际介质的过程具有重要意义。

3）光刻领域：新的自适应光学技术覆盖了偏振和相位的调制，能够为提升光刻的分辨率极限引入更精细的控制维度，有望对半导体芯片制造等行业产生重要影响，改善制程控制和产品质量，推动产业进步。

综上，矢量自适应光学技术的发展有望在多个领域为科学研究和工程应用带来显著的创新，为未来的研究和产业发展开辟诸多新的可能性。

▎论文信息

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

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

▎项目负责人简介

何超，牛津大学讲师（首席研究员/博士生导师），同时兼任牛津大学工程系矢量光学与光子学课题组组长及实验室主任（Head of the Vectorial Optics and Photonics Group）。何超博士于2018年至2020年（2年内）在牛津大学工程科学系完成博士学位，研究兴趣集中在矢量光束操控、矢量光学测量等相关的技术上。何超博士已发表学术论文60余篇，其中包括在国际期刊Nature Communications, Light: Science & Applications, Optica, Advanced Photonics, eLight上以第一作者兼通讯作者发表论文；他也担任Nature Photonics, Nature Communications, Light: Science & Applications等国际期刊的审稿人，兼任期刊Light: Advanced Manufacturing, Light: Science & Applications编委/客座主编。作为独立PI（首席研究员），他主持了多个研究课题，个人获得总资助超百万英镑；作为项目负责人，已有若干技术准备落地，其团队已获千万级别商业投资。

Martin Booth, 牛津大学教授（首席研究员/博士生导师），同时兼任牛津大学工程系常务副主任，牛津大学光学与光子学主席，动态光学与光子学课题组组长及实验室主任（Head of the Dynamic Optics and Photonics Group）。Booth教授在自适应光学领域享有国际盛誉, 主要从事有源和自适应光学器件的应用研究。研究内容包括自适应光学在显微学中的应用；用于生物医学成像和材料表征的高分辨率和超分辨率显微镜，包括STORM，STED和SIM；光子器件开发的光学微加工和制造等。在Nat. Photonics、Cell、Nat. Commun.、Light Sci. Appl、Optica等期刊发表论文170余篇，SCI引用超10000次。曾获光学技术年轻研究员奖，EPSRC高级研究员奖，International Commission for Optics Prize等多项奖项，埃尔兰根-纽伦堡大学高级光学技术学院客座教授；OSA、SPIE、IOP等国际组织的会士，英国皇家工程院会士。任Light Sci. Appl、INT J OPTOMECHATRONI编委。曾担任Nature、Nat. Commun.、Light Sci. Appl、Optica等国际期刊审稿人。Booth教授拥有超过25项国际专利，兼任两家高新科技公司的创始人（Aurox Ltd 与Opsydia Ltd）。
 

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