多模光纖成像技術(shù)因其超細(xì)微型探頭和柔性結(jié)構(gòu)帶來的靈活性優(yōu)勢，在生物體內(nèi)成像、工業(yè)檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，獲得了業(yè)界廣泛的關(guān)注。目前，多模光纖成像技術(shù)主要分為兩類，一類通過在光纖遠(yuǎn)端產(chǎn)生聚焦點(diǎn)進(jìn)行掃描成像，另一類通過探測光纖近端的散斑場來恢復(fù)光纖遠(yuǎn)端被探測的全場圖像。這兩種技術(shù)途徑已有較完善的理論支撐，能得到較清晰的探測圖像，但同時也具有一些難以彌補(bǔ)的劣勢。例如：受限于空間光調(diào)制器、CCD或CMOS器件的刷新速度，成像幀率較低，難以對高速的事件進(jìn)行成像；結(jié)構(gòu)中包含自由空間光學(xué)元件，因此需要精密的光學(xué)對準(zhǔn)，無法與傳像主體集成實(shí)現(xiàn)全光纖化，限制了其應(yīng)用范圍；成像波長受限于CCD或CMOS器件的感光光譜范圍，限制了其在紅外波段的成像能力。

上圖 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。

為此，清華大學(xué)精密儀器系先進(jìn)激光技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)基于十多年來在光纖激光器、光纖器件和光纖傳感的技術(shù)積累，提出了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技術(shù)。該技術(shù)采用皮秒脈沖光纖激光照明被測物，利用多模光纖的模間色散特性將被探測圖像的空間信息在時域上展開，時域信息通過單像素探測器進(jìn)行探測，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法，由一維時域信息恢復(fù)出二維圖像信息，整體結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖2 被探測圖像與其對應(yīng)的波形和恢復(fù)結(jié)果

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3 不同類型圖案的成像效果

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。

該系統(tǒng)的成像幀率主要取決于脈沖光的重頻，目前實(shí)驗(yàn)中已實(shí)現(xiàn)高達(dá)15.4Mfps幀率的成像，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了達(dá)到53.5Mfps幀率的可行性。系統(tǒng)在高幀率成像的同時具備連續(xù)采集一萬幀圖像（大幀深）的能力。如果采用重復(fù)頻率更高的激光照明源，并搭配更快的光電探測器和時域波形采集設(shè)備，其幀率可以持續(xù)提升。

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(jì)劃、“973”計(jì)劃、“863”計(jì)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)。