光学相干层析显微内窥成像技术研究进展（特邀）

光学相干层析成像（OCT）是一种无创或微创的、可提供组织深度信息的高分辨率可视化实时成像技术,广泛应用于生物医学成像与临床诊断领域。光纤OCT显微内窥成像技术是基于光纤传输和光纤显微内窥成像的OCT技术,除了具有OCT的一般成像优点外,还具有体积小、质量轻、耐腐蚀、电绝缘、抗电磁干扰等特点,尤其适用于对现有其他成像技术无法到达的狭小腔道内的组织病变进行高分辨率检测和早期诊断。随着激光器、探测器和光纤器件制备技术的发展,光纤OCT系统、光纤探头设计和制备都取得了巨大进步,应用场景也得到不断扩展。具体地：光纤OCT系统从时域OCT发展到频域OCT,成像速度和分辨率获得显著提升;光纤OCT内窥成像探头先后历经了光纤-棱镜型、全光纤型及光纤复合型探头三个发展阶段,目前正朝着多功能集成、小型化、一体化的方向发展;光纤内窥OCT的临床应用从呼吸系统和消化系统逐渐拓展到心血管系统。从光纤OCT系统设计、探头设计与制备、内窥成像应用三方面综述近年来光纤OCT显微内窥成像技术的发展现状,重点总结光纤内窥探头的技术发展及其在医学诊断中的应用,最后结合现有前沿技术报道总结展望了未来光纤内窥OCT的发展方向。     

植入式荧光内窥显微技术及其在活体脑成像中的应用（特邀）

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。     

单光纤成像技术北大核心CSCD

综述了单光纤成像技术的研究现状和动态。单光纤成像技术采用单根多模光纤进行成像,光纤既是成像器件又是传像器件,无需增加扫描器件和成像透镜便可将光纤一端视场范围内的场景一次性传输到另一端,因此又称为宽场光纤成像技术。该技术可减小成像光纤探头的直径,实现超细内窥成像。单光纤成像技术是一种计算成像方法,是在全息光学和傅里叶光学的基础上发展起来的,包括传输矩阵法和相位补偿法两种成像方法。对于多模光纤,如果可以预先得到频域(或空间域)的传输矩阵,则可以从光纤输出端光场中恢复目标图像,也可以预先测量光束通过光纤后的波前畸变。在成像系统中增加该波前畸变的共轭相位场,可以消除相应的波前畸变,从而在输出端获得不失真的目标图像。     

多模光纤到单模光纤耦合效率的研究分析

由于多模光纤的纤芯直径远大于单模光纤的纤芯直径,且多模先纤的数值孔径也大于单模光纤的数值孔径,因此多单模转换效率极低.为了提高多模光纤到单模光纤的耦合效率,采用自聚焦透镜对从多模光纤出射的光束进行汇聚,使其半径大小尽量与单模光纤的芯径大小相匹配,然后再利用球透镜来减小被汇聚过的光束的发散角,在不考虑各种连接损耗的前提下,通过ZEMAX来求解多模光纤到单模先纤的耦合效率.采用这种新型组合透镜耦合的方法可以极大提高多单模耦合的耦合效率,其最高耦合效率可达到38.7%.因此,这种组合透镜法是可行的.     

无透镜编码叠层显微成像原理及研究进展（特邀）

叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法,目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用,分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术,具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式,以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展,分析了其成像性能,重点介绍了其在生物医学方面的相关应用,并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。     

用于内窥光学相干层析成像探头的小型化及焦深拓展技术

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。     

梯度折射率光纤透镜的薄透镜等效分析

从等效薄透镜的角度对热扩束（TEC）光纤＋无芯光纤＋梯度折射率（GRlN）光纤透镜进行了细致的理论分析，其中TEC光纤调整输入高斯光束的束腰半径，无芯光纤控制束腰和薄透镜间的距离，GRIN光纤两主面之间部分等效为薄透镜，其焦距由光纤的折射率分布参数g决定。推导了出射高斯光束的束腰半径和工作距离的解析表达式，进而对该光纤透镜做了数值模拟，讨论了无芯光纤和GRIN多模光纤的长度对光纤透镜参数的影响。当GRIN光纤透镜用作准直器使用时，其最大束腰直径可达到80／1m，可将单模光纤的远场发散角压缩8倍；用于MEMS器件时，最大工作距离可达到3mm。     

基于应变的多模光纤可调谐光纤滤波器设计

可调谐光纤滤波器技术是波分复用系统的关键技术之一,对于发展全光通信网络和光纤传感具有极其重要的意义。提出了一种基于大芯径的多模光纤可调谐带阻滤波器,其制作方法是将包层/纤芯直径为125/105μm的特种多模光纤通过单模光纤接入光纤系统,实现单模-多模-单模(SMS)光纤结构,并使一端单模光纤与多模光纤熔接,另一端只是共轴对接而不焊接。在多模干涉原理的基础上,利用该结构对应变的敏感性实现可调谐光滤波。该可调谐滤波器的调制和解调借助于放大自发辐射(ASE)宽谱光源和光谱分析仪(OSA)实现。详细给出了该滤波器的理论仿真分析,并实验证实了该方案的有效性。     

基于多模光纤的光谱分析、射频谱感知及成像技术研究进展

随着信息领域的高速发展,人们对信息感知和处理技术的需求愈加多样,为满足功能需要,同时降低系统成本和复杂度,多功能一体化信息感知处理技术在民用及国防领域愈显重要。多模光纤作为一种能够同时传输多种模式光信号的光纤,早期主要用于短距离光通信领域。近年来,随着研究人员对其复杂物理特性研究的深入,多模光纤由于其宽带、无源、易于制造、低成本、便携等优势,在测量、光计算和图像传输等领域的应用也越来越广泛。本文从技术背景和原理等多个方面梳理了多模光纤在光谱分析、射频谱感知和成像技术三个方面应用的研究现状,阐述了其相对于传统方法的优势,并且指出了多模光纤面向这些特殊领域及一体化应用所面临的挑战及未来发展的趋势。      

高灵敏度多模干涉-异质无芯光纤折射率传感器

基于多模干涉理论和自映像效应,设计了一种高灵敏度多模干涉-异质无芯(SNS)光纤折射率传感器。利用纤芯失配在包层激发的高阶模与无芯光纤中产生的基模耦合产生多模干涉来实现其对折射率的传感测量。应用波束传播法(BPM)数值模拟了传感器在不同折射率条件下光的透射谱,讨论了无芯光纤的长度及外部环境折射率等参数对传感器性能的影响。通过无芯光纤SNS结构传感器的样品制备,测试了多组不同浓度蔗糖溶液下的透射谱,实验结果与数值模拟结果一致。结果表明:在折射率1.330~1.419范围内,透射谷的波长灵敏度达到189nm/RIU,透射率灵敏度达到-40%/RIU。     

多芯光纤构成的温度与折射率同时测量的光纤传感器

本文设计了一种“单模光纤－多模光纤－多芯光纤－多模光纤－单模光纤”的全光 纤 Mach-Zehnder干涉仪结构。在该结构中多模光纤充当耦合器,不同模式的光在多芯光纤中 传输时将 产生光程差,形成Mach-Zehnder干涉。当环境温度和折射率变化时,通过分析干涉仪透射 光谱中不 同谐振峰的漂移量,实现折射率与温度的测量。实验结果表明,传感器低温灵敏度最高达到 46.0 pm/℃, 高温灵敏度最高达到109.0 pm/℃,折射率灵敏度最高达到54.3 nm/RIU(RIU为折射率单位)。另外, 通过同时监测传感器透射谱的两个谐振峰值波长随环境温度和折射率的漂移情况,实现了环 境温度 与折射率的同时测量,不存在交叉敏感。该传感器结构简单、制作容易、重复性好、响应稳 定、具 有多路复用功能,在传感领域有广泛的应用前景。     

单根多模光纤数字扫描成像方法

针对现有多模光纤数字扫描成像方法,形成扫描聚焦光斑计算量大、速度慢的问题,提出了一种基于自适应并行坐标（Adaptive Parallel Coordinate,APC）算法的单根多模光纤数字扫描成像方法,通过控制多模光纤输入端的光场,在单根多模光纤出射端实现光斑的聚焦和扫描。建立了单根多模光纤数字扫描成像数学模型;采用自适应并行坐标算法对空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）加载相位进行优化,有效缩短了扫描聚焦光斑的形成时间,提高了成像速度。实际生成3030个聚焦光斑,对50 m50 m范围的分辨率板进行扫描成像。实验证明,该方法实现了单根多模光纤对距离光纤端面60 m处平面内的目标成像,分辨率达到2.46 m。     

透射电镜数字成像系列装置的设计

目的：探讨不同类型透射电镜数字成像装置设计方案,以实现更好性能.方法：分析现有不同类型透射电镜数字成像装置产品或设计的结构特征及其存在的主要问题,构思新的解决方案.结果：提出了包括侧装透镜、侧装光纤、底装透镜和底装光纤耦合型四种基本类型透射电镜数字成像装置新的设计方案,研制了底装大视野透镜耦合型样机并用于实际工作.结论：新的底装透镜耦合型成像装置结构独特,特别适合需要大视野的生命科学和医学等领域.     

光纤耦合高功率半导体激光器系统

介绍了利用多模光纤同空间列阵半导体激光器实现有效耦合,再将光纤组合后输出的技术.阐述了半导体激光器与光纤耦合的一般理论.对半导体激光器的发散角、多模光纤和半导体激光器耦合的常规技术进行了分析.介绍了多模光纤和半导体激光器耦合的新技术,即在半导体激光器与光纤之间加光纤微透镜的耦合技术.这种技术可有效地提高耦合效率,使之达到80%以上.将空间列阵半导体激光器通过光纤耦合后组合输出是使半导体激光器得以实际应用的有效途径.(PC5)     

采用D形不规则多模光纤产生部分相干激光

研究了一种D形不规则多模光纤,用于产生相干度低的部分相干激光.理论分析了D形不规则多模光纤传导模型,数值模拟仿真了D形不规则多模光纤内光线轨迹和光强度分布.实验结果表明,采用长度500 mm、芯径200 μm的D形光纤作为变换元件可以得到相干度低的部分相干激光,其输出光斑相干度明显低于圆柱形阶跃折射率光纤的输出光斑相干度.     

用于大容量光传输系统的新型光纤

多媒体和数据应用程序的快速扩展,驱动骨干网的带宽需求量以前所未有的速率增长。骨干容量增长的同时也给数据中心的带宽和互联带来了更多的挑战。目前光纤制造厂商正不断改善光纤的性能,以满足长途和短距离应用的需求。短期内通过改进传统光纤技术虽然可增加系统容量,但研究表明,单模光纤的传输容量正快速接近香农理论极限。采用空分复用的光纤技术可以克服该限制,为未来的容量增长提供新的解决方案。在本文中,将讨论提高光纤传输系统容量的新型光纤。对应用于长途传输的常规光纤而言,先进的数字信号处理可对色散和偏振模色散等损伤进行完全补偿,因此光纤的衰减和有效面积成为可进一步优化的参数,讨论以上两个参数的品质因数,总结超低损耗和大有效面积光纤的最新研究成果。对于短距离应用,回顾提高多模光纤带宽的方法,讨论多模光纤的发展趋势。对于下一代光纤,重点研究可实现空分复用技术的多芯和少模光纤,该技术可增加系统容量一个数量级。阐述多芯和少模光纤的设计思路,总结该技术的最新进展,最后讨论使用多芯和少模光纤所面临的主要挑战。     

相干衍射成像研究进展:叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像

相干衍射成像技术是一种无透镜计算成像技术。该技术通过迭代算法求解相位问题,直接从衍射强度数据重构物体的振幅和相位图像信息,可获得由照明光源波长和数据记录有效数值孔径决定的衍射极限分辨率。由于相干衍射成像技术不依赖于高质量光学成像元件的使用,因而适合用于深紫外、X射线以及电子束等诸多很难制作高性能成像器件的辐射源。过去20年来新型光源（冷致电子枪、第三代和第四代同步辐射光源、自由电子激光器）、单粒子计数高灵敏度、宽动态范围面阵检测器的迅猛发展,也极大地促进了相干衍射成像技术的发展。目前相干衍射成像在材料科学和生物学等热门学科方向上已经显示出了相较传统方法的独特优势,在部分应用上已经逐渐成为主流技术。文中概略回顾相干衍射成像的发展历史。重点介绍叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像这两种快速发展的技术。     

基于拓扑优化的光纤束端面超构透镜研究

超构透镜作为目前纳米光学领域的研究热点,与光纤束集成可充分体现其轻薄的特点,二者的结合有利于推动成像系统的小型化。本文利用拓扑优化方法设计了一种新型的同心环结构超构透镜,并利用纳米3D打印技术完成超构透镜与光纤传像束的集成。该超构透镜直径为3047μm,数值孔径(NA)为08,使用白光LED光源进行成像实验,结果表明该超构透镜具有良好的成像性能。本文提出的超构透镜与光纤束集成的小型化成像系统可应用于医疗、工业、军事等多个领域。     

光纤共焦系统中影响轴向分辨特性的因素分析

为了提高光纤共焦显微成像系统的轴向分辨力,分析了光纤光斑尺寸、瞳半径,环形透镜、光纤与透镜的匹配等对该系统轴向分辨率的影响。利用光纤共焦成像系统的三维相干传递函数,对一理想反射镜进行轴向扫描,建立系统的轴向响应函数,分析和研究了各参数对系统轴向分辨力的影响。实验结果表明,为使系统获得较高的轴向分辨率,需控制与光纤光斑尺寸有关的参数A≤3,选用放大倍率较大的物镜,并使透镜的数值孔径小于光纤数值孔径,而在光纤共焦系统中引入环形透镜并不能提高系统的轴向分辨力。     

808 nm大功率半导体激光器光纤耦合模块系统

根据808 nm大功率半导体激光列阵(LDA)的远场光场的分布特点,利用多模光纤柱透镜和光束转换装置对808 nm半导体激光列阵的发散角进行压缩整形,通过聚焦准直透镜将激光束耦合进入芯径为400 μm的光纤,实现了30 W的功率输出,其中最大耦合效率大于80%,光纤的数值孔径(NA)为0.22.通过分析其输出光斑和输出曲线,表明LDA与光纤耦合系统不仅从各个方向同时压缩了激光束的发散角,有效地实现了对激光束的整形、压缩,而且性能稳定,可靠实用.