作者单位
摘要
1 香港理工大学生物医学工程学系,中国 香港
2 香港理工大学光子技术研究院,中国 香港
3 香港理工大学深圳研究院,广东 深圳 518063
基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外,在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下,通过构建物理或深度学习模型,从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述,首先说明无透镜光纤成像的基础原理,并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法,接着介绍一些先进光纤成像模态和技术,列举光纤成像相关应用,最后分析该领域所面临的挑战,总结并展望其进一步发展方向和应用前景。
多模光纤 多芯光纤 波前整形 内窥成像 光学显微成像 深度学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618002
作者单位
摘要
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室,山西 太原 030024
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林 长春 130033
3 广东工业大学广东省信息光子技术重点实验室,广东 广州 510006
4 中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
提出了一种基于多模光纤模间色散的无时延特征混沌产生方案。在多模光纤长度为4.4 km、芯径为62.5 μm、反馈强度为0.1的条件下,实验获得了无时延特征的混沌信号。进一步理论分析了多模光纤的纤芯直径、相对偏移、长度对混沌光模场的影响,结果显示:随着纤芯直径和相对偏移的增大,模式数量逐渐增多,模场分布变复杂;随着光纤长度的增加,模式分离程度(即模间色散)增大。最终探明了多模光纤相对偏移、反馈强度、长度对时延特征的抑制规律。结果表明,在与实验相同的纤芯直径和反馈强度下,消除时延特征的多模光纤的临界长度为1 km。
光纤光学 半导体激光器 混沌激光 时延特征 多模光纤 
中国激光
2024, 51(6): 0606002
作者单位
摘要
深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。
显微 荧光内窥显微成像 活体脑成像 梯度折射率透镜 多模光纤 
中国激光
2024, 51(1): 0107001
作者单位
摘要
浙江农林大学 光机电工程学院,杭州 311300
介绍了时空锁模的基本原理和时空锁模的理论模型−吸引子解剖。从空间结构和全光纤结构两方面介绍了近年来国内外在时空锁模光纤激光器方面的研究进展,包括激光腔型的改进、输出性能的提升和实时动力学的观测等。最后分析了目前时空锁模激光器的优势和不足,并对其发展方向进行了展望:时空锁模激光器在产生高功率超短脉冲方面有着巨大的优势,但输出光斑质量差在一定程度上限制了它的实际应用;利用时空自相似演化、波前整形等技术提升光束质量将是未来时空锁模激光器的发展方向。
光纤激光器 多模光纤 时空锁模 非线性偏振旋转 fiber laser multimode fiber spatiotemporal mode-locked nonlinear polarization rotation 
强激光与粒子束
2023, 35(10): 101002
李永倩 1,2,3,*范海军 1,2,3张立欣 1,2,3王磊 1,2,3[ ... ]赵旭 1,2,3
作者单位
摘要
1 华北电力大学电子与通信工程系, 河北 保定 071003
2 华北电力大学, 河北省电力物联网技术重点实验室, 河北 保定 071003
3 华北电力大学, 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能, 然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、 易耦合和易辐射损耗, 而且导致了布里渊增益谱畸变、 谱宽展宽和布里渊增益峰值降低, 严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。 因此, 研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。 首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究, 并与少模光纤、 单模光纤进行对比。 结果表明: 多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关, 当布里渊散射角不变时, 布里渊频移与模式群编号呈负相关; 当模式群编号不变时, 布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。 相比单模光纤, 少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响, 布里渊增益峰值和布里渊频移较低, 布里渊增益谱较宽。 多模光纤中的高阶模最多, 对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低, 布里渊增益谱最宽。 此外, 分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。 搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统, 通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能, 以评估整形优化程度。 实验结果表明: 提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽, 获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度, 分别为0.974 47和0.987 89。 利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能, 最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。
布里渊散射谱 多模光纤 谱整形 谱宽 抗弯曲性能 Brillouin scattering spectrum Multimode fiber Spectrum shaping Spectrum width Bending tolerance 
光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3559
Shengfu Cheng 1,2†Xuyu Zhang 3,4Tianting Zhong 1,2Huanhao Li 1,2[ ... ]Puxiang Lai 1,2,7,*
Author Affiliations
Abstract
1 The Hong Kong Polytechnic University, Department of Biomedical Engineering, Hong Kong, China
2 The Hong Kong Polytechnic University, Shenzhen Research Institute, Shenzhen, China
3 Chinese Academy of Sciences, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Key Laboratory for Quantum Optics, Shanghai, China
4 University of Shanghai for Science and Technology, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, Shanghai, China
5 University of Science and Technology of China, Department of Optics and Optical Engineering, Hefei, China
6 University of Chinese Academy of Sciences, Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, Beijing, China
7 The Hong Kong Polytechnic University, Photonics Research Institute, Hong Kong, China
Transmission matrix (TM) allows light control through complex media, such as multimode fibers (MMFs), gaining great attention in areas, such as biophotonics, over the past decade. Efforts have been taken to retrieve a complex-valued TM directly from intensity measurements with several representative phase-retrieval algorithms, which still see limitations of slow or suboptimum recovery, especially under noisy environments. Here, we propose a modified nonconvex optimization approach. Through numerical evaluations, it shows that the optimum focusing efficiency is approached with less running time or sampling ratio. The comparative tests under different signal-to-noise levels further indicate its improved robustness. Experimentally, the superior focusing performance of our algorithm is collectively validated by single- and multispot focusing; especially with a sampling ratio of 8, it achieves a 93.6% efficiency of the gold-standard holography method. Based on the recovered TM, image transmission through an MMF is realized with high fidelity. Due to parallel operation and GPU acceleration, our nonconvex approach retrieves a 8685 × 1024 TM (sampling ratio is 8) with 42.3 s on average on a regular computer. The proposed method provides optimum efficiency and fast execution for TM retrieval that avoids the need for an external reference beam, which will facilitate applications of deep-tissue optical imaging, manipulation, and treatment.
transmission matrix phase retrieval multimode fiber imaging wavefront shaping 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(6): 066005
Author Affiliations
Abstract
School of Artificial Intelligence, Optics and Electronics (iOPEN), Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Shaanxi 710072, P. R. China
The miniaturized femtosecond laser in near infrared-II region is the core equipment of three-photon microscopy. In this paper, we design a compact and robust illumination source that emits dual-color linearly polarized light for three-photon microscopy. Based on an all-polarization-maintaining passive mode-locked fiber laser, we shift the center wavelength of the pulses to the 1.7μm band utilizing cascade Raman effect, thereby generate dual-wavelength pulses. To enhance clarity, the two wavelengths are separated through the graded-index multimode fiber. Then we obtain the dual-pulse sequences with 1639.4nm and 1683.7nm wavelengths, 920fs pulse duration, and 23.75MHz pulse repetition rate. The average power of the signal is 53.64mW, corresponding to a single pulse energy of 2.25nJ. This illumination source can be further amplified and compressed for three-photon fluorescence imaging, especially dual-color three-photon fluorescence imaging, making it an ideal option for biomedical applications.
Three-photon fluorescence imaging illumination source dual-wavelength femtosecond pulse cascaded Raman effect graded-index multimode fiber 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(5): 2241005
Author Affiliations
Abstract
1 Zhejiang Lab, Research Center for Humanoid Sensing, Hangzhou, China
2 Zhejiang University, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics, State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation, Hangzhou, China
Imaging through multimode fiber (MMF) provides high-resolution imaging through a fiber with cross section down to tens of micrometers. It requires interferometry to measure the full transmission matrix (TM), leading to the drawbacks of complicated experimental setup and phase instability. Reference-less TM retrieval is a promising robust solution that avoids interferometry, since it recovers the TM from intensity-only measurements. However, the long computational time and failure of 3D focusing still limit its application in MMF imaging. We propose an efficient reference-less TM retrieval method by developing a nonlinear optimization algorithm based on fast Fourier transform (FFT). Furthermore, we develop an algorithm to correct the phase offset error of retrieved TM using defocused intensity images and hence achieve 3D focusing. The proposed method is validated by both simulations and experiments. The FFT-based TM retrieval algorithm achieves orders of magnitude of speedup in computational time and recovers 2286 × 8192 TM of a 0.22 NA and 50 μm diameter MMF with 112.9 s by a computer of 32 CPU cores. With the advantages of efficiency and correction of phase offset, our method paves the way for the application of reference-less TM retrieval in not only MMF imaging but also broader applications requiring TM calibration.
transmission matrix retrieval multimode fiber imaging through scattering 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(5): 056007
江丽 1,2,3宋锐 1,2,3,*侯静 1,2,3,**陈胜平 1,2,3[ ... ]韩凯 1,2
作者单位
摘要
1 国防科技大学前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室,湖南 长沙 410073
3 国防科技大学高能激光技术湖南省重点实验室,湖南 长沙 410073
高功率可见光至近红外波段的超连续谱光源在光电对抗、光学相干层析成像和高光谱激光雷达等方面具有广泛的应用前景。最近几年,涌现了一些用于产生高功率超连续谱光源的新方法,推动了高功率超连续谱光源的进一步发展。本文从主振荡功率放大结构、随机光纤激光器结构以及多路非相干合成这三种用于高功率超连续谱产生的主流方案出发,着重介绍了近年来有代表性的高功率可见光至近红外波段超连续谱光源的研究进展,并综合分析了这三种方案的优缺点以及未来的发展潜力。
非线性光学 高功率光纤超连续谱 渐变折射率多模光纤 光子晶体光纤 随机光纤激光器 多路非相干合成 
光学学报
2023, 43(17): 1719001
作者单位
摘要
重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室,重庆 400054
提出一种基于夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)与虚拟游标效应结合的高灵敏度温度传感器,进行了理论分析和实验验证。该光纤MZI是通过在两段1 mm长的阶跃型多模光纤之间拼接一段20 mm的渐变多模光纤制成,夹层多模光纤MZI作为游标效应的传感干涉仪,利用信号处理对该光纤MZI的干涉光谱进行变频得到参考干涉仪光谱,通过叠加传感干涉仪和参考干涉仪的波形实现虚拟游标光谱。实验结果表明,在40~100 ℃温度范围内,该传感系统的温度灵敏度为3.884 nm/℃,与单个夹层多模光纤MZI相比,灵敏度提高了37.346倍。与传统的光纤游标传感器相比,所提出的虚拟游标夹层多模光纤温度传感器具有灵敏度极高、尺寸紧凑、制作简单、成本低、结果更可靠等优点。
光纤光学 夹层多模光纤 马赫-曾德尔干涉仪 温度传感 虚拟游标效应 
激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1706002

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