单次曝光高光谱波前成像技术：实现宽带光束时空特性表征的新突破

《Nature Communications》：Single-shot hyperspectral wavefront imaging

本刊推荐：为解决传统波前传感器(WFS)在宽带照明下无法分辨色散波前的技术瓶颈，研究人员开发了基于多芯光纤(MCF)的单次曝光高光谱波前成像方案。该技术利用MCF的角记忆效应和有限光谱关联宽度，将波前梯度编码为位移量、光谱信息编码为非关联散斑图案，实现了单次曝光即可重建高光谱波前立方体(hyperspectral wavefront cube)。实验在Apollon多拍瓦激光装置中成功对单脉冲进行波前诊断，并实现多光谱定量相位显微成像，为激光等离子体相互作用、生物医学成像等领域提供了全新工具。

　　

当科学家们试图捕捉超高功率激光脉冲的完整信息时，他们面临着一个长期存在的技术难题：传统波前传感器只能在单色光下工作，而真实世界的光源往往包含丰富的色彩。特别是在多拍瓦激光装置、生物医学成像和材料色散研究等领域，研究人员迫切需要一种能够同时获取光谱和波前信息的工具。这就好比想要同时记录一场交响乐中每个乐器的音色和声源位置，但现有的仪器只能识别整体旋律而无法分辨细节。

传统波前传感技术基于一个关键假设：不同波长的光具有相同的波前形状。然而，在真实光学系统中，透镜、棱镜等元件都会引入色差，导致不同颜色的光波前产生差异。这种"时空耦合"效应在超短脉冲激光系统中尤为显著，可能严重影响聚焦强度和控制精度。更棘手的是，许多重要应用（如激光等离子体相互作用、流式细胞术等）要求单次曝光完成测量，无法通过扫描波长的方式逐点获取数据。

在这一背景下，巴黎大学Marc Guillon教授团队在《Nature Communications》上提出了一项创新解决方案：单次曝光高光谱波前成像技术。该技术的核心突破在于发现多芯光纤(MCF)这一特殊光学元件能够同时满足波前敏感性和光谱分辨能力。多芯光纤由数千个微小光纤并行组成，不仅具有类似传统散斑的"角记忆效应"（即入射波前倾斜会导致输出散斑图案产生相应平移），还展现出独特的光谱特性——当波长变化约2纳米时，散斑图案就会完全更新。这种双重特性使得多芯光纤成为理想的光学编码器，能够将不同颜色的波前信息同时编码到单张图像中。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于多芯光纤的波前编码系统搭建、多光谱参考散斑图案校准、基于Moore-Penrose伪逆和截断奇异值分解(SVD)的逆问题求解算法、多尺度配准技术处理大位移情况，以及在Apollon激光装置和显微成像系统两种不同配置下的实验验证。

实验结果

光学系统特性验证

研究团队首先系统表征了多芯光纤的光学特性。实验显示，该光纤在500-800纳米光谱范围内具有约2纳米的光谱关联宽度，同时保持约20毫弧度的角记忆效应范围。这两个参数的平衡至关重要：光谱关联宽度决定了系统能够分辨的最小波长差异，而角记忆效应范围则限制了可测量的最大波前倾斜度。通过精确控制光纤输出面与相机之间的距离d（通常在几毫米到近百毫米之间可调），研究人员实现了空间分辨率与波前灵敏度之间的灵活权衡。

定量高光谱波前传感

为验证技术的定量准确性，团队设计了一系列精密实验。他们使用NBK7材料制作的楔形棱镜（偏转角2°、4°、6°）和两种不同材料（NBK7和SF11）的远焦透镜系统作为测试样品，比较了单次曝光（多路复用）测量与逐波长扫描（顺序）测量结果的一致性。

实验结果表明，单次曝光测量与顺序测量获得的波前形状高度一致，均方根误差仅为9.1纳米（约λ/65@600纳米）。特别值得注意的是，系统成功捕捉到了不同光学材料带来的色散差异：SF11玻璃的色散明显大于NBK7玻璃，这与理论预期完全吻合。这一验证不仅证明了技术的可靠性，还展示了其在光学材料表征方面的应用潜力。

Apollon激光装置单脉冲诊断

研究的最亮点在于将该系统成功应用于法国Apollon多拍瓦激光装置的实际束流诊断。Apollon作为世界领先的超高功率激光平台，其单脉冲能量可达15焦耳，但重复频率仅为每分钟1发。这种低重复率特性使得传统的多脉冲扫描测量方法完全不可行。

通过单次曝光，研究人员成功重建了激光脉冲约40纳米带宽内的完整波前信息。分析发现，Apollon光束主要呈现低阶像差，色散成分以离焦为主，倾斜量可以忽略不计——这表明激光系统的对准状态极为优良。量化数据显示，在脉冲的全宽半最大值(FWHM)带宽内，色散离焦约为50纳米峰谷值(PtV)，相当于瑞利长度(z_R)的±1/8。这一测量结果与基于熔融石英透镜的Apollon光束传输系统的理论预期高度吻合。

更重要的是，通过结合测得的频谱和波前信息，研究人员能够计算焦点处的电场分布和时间演化。结果显示，与实际理想焦点相比，强度损失仅约15%，证明Apollon激光系统已接近最佳运行状态。这种单脉冲诊断能力为研究非线性时空耦合效应提供了全新可能。

多光谱定量相位显微成像

为展示技术的广泛应用潜力，团队还构建了高空间分辨率的多光谱相位显微镜。通过将传播距离d缩短至约6毫米，系统空间分辨率显著提升，足以对微米尺度的生物样品进行详细观测。

实验以直径5.2微米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为样品，将其浸没于含有蔗糖和亮蓝FCF染色剂的水溶液中。通过同时获取480纳米、580纳米和690纳米三个波长的光学路径延迟(OPD)图像，系统清晰揭示了样品的色散特性。测量结果显示，PMMA微球在不同波长下的折射率变化与理论模型高度一致，验证了系统在生物样品色散表征方面的能力。特别值得注意的是，单次曝光测量与顺序测量结果几乎完全重合，证明该技术确实能够在保持高空间分辨率的同时实现准确的光谱分辨。

结论与展望

这项研究突破了高光谱波前传感的技术瓶颈，首次实现了单次曝光即可获取完整光谱-波前信息的能力。技术的核心创新在于巧妙利用多芯光纤的双重特性，将传统上需要复杂光学系统的测量任务简化为单一掩模片加相机的紧凑设计。系统测量精度达到约λ/60，且空间与光谱分辨率可根据需求灵活调节。

该方法对超高功率激光物理、生物医学成像和材料科学等领域均具有重要意义。在激光物理方面，它使单脉冲全特性诊断成为可能，为优化拍瓦级激光系统性能提供了关键工具；在生物成像方面，它为活细胞多光谱相位成像开辟了新途径，有望用于血红蛋白浓度测量等应用。此外，技术的可扩展性极强，未来可进一步结合偏振测量等多元信息，实现对光场的更全面表征。

当前系统的数据处理时间在5-50秒之间，虽不适合实时应用，但通过算法优化和专用硬件加速，完全有潜力实现实时处理。结合空间光调制器(SLM)技术，未来甚至可构建自适应光学系统，实时校正色差和时空耦合效应。随着多芯光纤制造技术的进步，更大视场、更高分辨率的波前传感器也将成为可能，进一步拓展其在科学研究和工业应用中的影响力。