多模光纤（MMF）是一种细如发丝的玻璃纤维，广泛应用于导光领域。它们的发展与信息在世界各地快速传播的巨大增长密切相关。

 

图1 透视理想的 MMF。从左到右，每一行的面板显示了要成像的场/物体/场景的数值模拟(最左) ；使用完美 MMF 反演形成的图像，即包括由于光纤模态容量有限而产生的空间滤波效应，但不包括我们的逆变器中出现的任何模式耦合效应；近端光纤面上的场；校正平面上的场; 基于 MPLC 的逆变器输出的改造图像。成像，(a)远端纤维小面上的空间相干散斑图案(白色圆圈表示半径40.3微米的核心包覆边界) ；(b)远端纤维小面上的不相干物体——暗示汇合的细胞片; (c)离远端纤维小面1毫米的不相干物体，其中视场由虚线白色圆圈显示，已经增长到半径100.8微米；(d)远端小面远场的场景(这里虚线白色圆圈代表纤维 NA)。^[1]

 

MMF的微小足迹也使它们成为下一代显微内窥镜的首选，它可以将光学显微镜送入人体深处。然而，模态色散限制了磁场的实际信息容量，这种机制扰乱了空间信息在磁场中的传播。

 

因此，通过MMF直接传输图像是非常有挑战性的：投射到一端的图像在光线到达另一端时无法识别。过去十年的开创性研究已经表明如何测量和消除由MMF引起的光扰动。近日，基于此，英国艾希特大学和德国莱布尼兹光子技术研究所合作团队提出了一种新策略，称为光学翻转。

 

以上结果已发表在期刊《Intelligent Computing》。

 

该论文第一作者Un? Būtait?说：“在此之前，大多数成像技术都依赖于光栅扫描或序列模式投影，这基本上意味着光纤每次只能在一种空间模式下被解码。”

 

“这种方法阻碍了通过MMF提供广域成像技术。例如，目前还没有办法在MMF尖端进行宽场超分辨率成像，这将是一种非常理想的方法，以加深对生物体内过程的了解。”

 

为了克服这一问题，该团队提出并设计了一种无源光学器件，称为光学逆变器。Būtait?解释道：“我们的逆变器可以理解为一个定制的散射介质，旨在补充MMF，以消除其光学效应。”

 

当场景发出的光通过MMF传播之后，空间信息被扰乱，但是光学逆变器以与光纤完全相反的方式扰乱光纤，使得被动地改变场景图像成为可能，并且以全光的形式。

 

通过对不同场景的仿真，该团队研究并设计了光学逆变器的性能。结果表明，光学逆变器具有通过 MMF 实现单次宽场成像和超分辨率成像的潜力。此外，通过将光学存储器效应纳入其设计，光学逆变器可以动态适应透视柔性光纤。

 

该论文通讯作者David Phillips说：“我们这个概念的关键优势在于，它可以在近头发丝粗细的 MMF 尖端制作任何形式的广角显微镜，这种 MMF 有可能被加载到一根针上，以观察身体深处的环境。该技术包括强大的新成像技术，比如基于定位的超分辨率成像，以及其他新兴形式的平行超分辨率显微镜，结构照明显微镜和单目标光片显微镜。”

 

此外，在短 MMF 远端以外的任何距离进行单次广域成像也是可能的。

 

在未来，研究人员预测这项研究的其他应用。Phillips博士说：“我们在这里描述的光学反转策略有可能扩展到解读穿过其他物体的光，如光子晶体波导、光子灯或生物组织等。”

 

“最后，我们预计散射光的全光反转将发现光学成像以外的一系列应用，有利于高容量光通信的模式分复用领域，以及量子密码学和经典及量子光学计算领域。我们很高兴看到这项技术走向何方。”

 

新闻链接：

https://phys.org/news/2022-11-optical-inversion-strategy-unscrambling-propagation.html

 

[1] Būtait? U G, Kupianskyi H, ?i?már T, et al. How to build the optical inverse of a multimode fibre[J]. arXiv preprint arXiv:2204.02865, 2022.