Original Light 中国光学 2022-10-20 18:30 Posted on 吉林
自适应光学（Adaptive optics, AO）是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的技术。这一技术最早由天文学家提出，旨在观察遥远星空时用于矫正大气层引入的光学相差。如今，该技术已开始广泛应用于光学和光子学的各个领域。
本期Light人物，我们荣幸的邀请到英国牛津大学的Martin Booth教授，他是最早将自适应光学技术引入光学显微镜研究的科学家之一，他带领他的科研团队一直在不停探索，致力于将这种技术应用于生物、材料科学等诸多领域。藉由本次采访，希望我们的读者可以从他的灵感，激情和奉献中汲取养分。
Martin Booth教授一直致力于打破自适应光学的应用障碍，使它得到更广泛的应用。作为少数见证了自适应光学在不同领域发展的学者，Martin Booth教授为我们介绍了自适应光学应用于不同领域的主要区别，现有挑战以及未来发展。他谈及了自适应光学如何造福新兴领域，以及在此过程中所面临的关键挑战。此外，Martin Booth教授还分享了多年来在各类教育和科研组织中担任不同角色，积极参与各种活动的经验体会，为年轻科学家提供了诸多在科研道路上取得成功的秘诀。
Martin Booth, 牛津大学工程系，教授、博士生导师，牛津大学工程系常务副主任。Martin Booth在自适应光学领域享有国际盛誉, 主要从事有源和自适应光学器件的应用研究。研究内容包括自适应光学在显微学中的应用；用于生物医学成像和材料表征的高分辨率和超分辨率显微镜，包括STORM，STED和SIM；光子器件开发的光学微加工和制造等。在Nature Photonics、Cell、Nature Communications、Light: Science & Applications、Optica等期刊发表论文百余篇，SCI引用超过10000次。曾获光学技术年轻研究员奖，EPSRC高级研究员奖，International Commission for Optics Prize等多项奖项，埃尔兰根-纽伦堡大学高级光学技术学院客座教授；OSA、SPIE、IOP等国际组织的会士，英国皇家工程院会士。任Light: Science & Applications （Nature）、International Journal of optmechatronic Technologies编委。
采访人：崔佳贺、何超、常唯
原文信息：Cui, J., He, C. & Chang, W. Light People: Professor Martin Booth spoke about adaptive optics and its applications. Light Sci Appl 11, 305 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-01001-5
Q：自适应光学技术可以说非常强大，从天文望远镜到超分辨显微镜，它在许多研究领域都得到了应用。您可以为我们讲讲自适应光学在不同领域应用的侧重点，以及它们是如何继承和发展的吗？
A：自适应光学的发展最早成名于对天文望远镜的贡献，此后才逐渐转移到眼科学和显微学应用中。它们的主要区别在于应用的规模。天文研究中，经常会有一大笔经费去为某台大型天文望远镜搭建独有的自适应光学系统。但是在其他领域，我们的目标是用更少的经费搭建可以被多次复现的系统。这意味着即便我们可以从某个领域得到灵感，应用到另一个领域时，实际的解决方案往往也会相差甚远。
图1：Martin Booth教授与Yifei Ma在实验室中讨论问题
图2：Martin Booth教授在Light Conference 2018上致辞
Q：您的团队一直在不断探索有探测器和无探测器领域中的自适应光学新技术。您可以谈谈他们的主要区别，以及实际应用时的关键考量吗？
A：我们在显微领域的主要工作目标是为更多可以从自适应光学中获益的显微镜模态提供解决方案。从这点考虑，无探测器自适应光学的硬件要求更低，它可以应用在难以安装波前探测器的系统中，因而应用更加广泛。这种技术在未来的挑战主要在于如何实现实际操作的规范化和常规化，使之更易转化，从而应用于不同的显微镜模态。
图3：Martin Booth教授与他的图书珍藏
Q：作为自适应光学在显微领域应用的先驱之一，您认为自适应光学当下面临着哪些挑战？它的未来发展又会有怎样的趋势？
A：自适应光学对显微领域的贡献已经在实验室中无数次被印证，当前面临的主要挑战是如何将这项技术应用到实际中。最终，自适应光学应该嵌入到各种系统中，并可以在无人干预的情况下无缝工作。这需要器件尺寸和成本的大幅下降，同时软件和控制系统也需要进一步发展，以保障自动化操作的安全可靠。
A：近几年，我们在自适应光学应用于三维高精度微米加工方面取得了诸多进展。很多领域都需要将光在透明材料中精准聚焦，而相差矫正对于克服材料表面折射带来的焦点弥散和精度下降等影响至关重要。最近我们在结构波导研究中取得了一系列成果，这些成果可应用于许多领域，如在量子光学领域实现波导电路。
Q：我们知道，您的团队正尝试将自适应光学应用于一些新领域，如医学诊疗中的无标记显微镜/微内窥镜成像。自适应光学可以为这些领域带来哪些潜在效益呢？您可以和我们分享一些宝贵的经验吗？
A：自适应光学的主要优点在于提高系统信息采集的分辨率和信噪比。医学诊疗中对亚细胞结构的捕捉可以为识别新的病理标记物带来更多可能性。信噪比的提高更为加快图像采集速度奠定了基础，使得实时跟踪在很多医学场景下从不可能变为了可能。
Q：自适应光学专注于对相位的调制。然而很多光学系统，特别是超分辨显微镜中，偏振像差的作用更加明显。错误的偏振态会扰乱光在焦点处的干涉，从而降低图像分辨率。您对偏振像差的自适应矫正发展有哪些看法？它会面临哪些挑战？
A：偏振和相位的共同调制，也就是矢量自适应光学，是自适应光学研究中的新兴方向。多维度的调制会比单一相位调制更具挑战性。与此同时，不同维度之间存在一定程度耦合。例如，我们无法在不考虑相位调制的情况下单独矫正偏振态。这意味着我们需要新的方法来探测矢量信息，生成完备的矢量模态，并发掘新的像差矫正算法。
A：偏振技术为生物医学研究带来了诸多新的可能，特别是提供无标记对比。将这一技术和自适应光学相结合可以加速它在三维样品中的应用。另外，利用变形器件我们可以简化偏振显微镜的构造，使得它更便于投入实际应用。
图4：Martin Booth教授在Light Conference 2019上主持 ‘2019 Rising Stars of Light’ 决赛
Q：我们看到您和您的团队创建了一个自适应光学教程网站，以便推进自适应光学技术的广泛应用，特别是为那些刚刚接触自适应光学的人提供帮助。您可以为我们讲讲这一网站的重点，以及内容安排是如何为初学者考量的吗？您对这一网站有哪些未来设想？
A：使用自适应光学的主要障碍并非在技术层面，而在于实际操作。以往将自适应光学融合到其他技术中成本很高。我们觉得可以将我们团队以往的经验分享出来，通过提供教程的方式帮助其他科研人员扫除障碍，推进这一技术的广泛应用。与此同时，我们也开始为想要使用自适应光学的人提供咨询和技术支持服务。希望这一服务可以为他们节省更多的时间和金钱成本。
Q：作为Optica（原OSA，美国光学学会）、SPIE（国际光学工程学会）、IOP（英国物理学会）和其他重要学协会的会员，您能否与我们分享一些在此类学协会工作的经验？
A：这些专业的学协会在光学和光子学领域的交流中发挥着重要作用。我从博士阶段起就一直是这些学协会的成员，他们通过举办学术会议，社交活动等方式，提供了许多与同行互动的机会。我鼓励学生们多多参加这些组织，这将有助于他们事业的发展。
Q：作为LSA的编委，您见证了它的诞生、成长和发展。最近，它的姊妹刊Light: Advanced Manufacturing和eLight相继创刊，也发表了一些非常出色的工作。您对他们未来的发展有什么看法和建议？
A：我认为，对于科研人员来说，有知名期刊根据文章的质量和对该领域的重要性来选择文章，而不是依据其他标准，这一点非常重要。我相信LSA始终遵循这一原则，这也使它得到了领域内科研人员的尊重。我相信LSA和它的姊妹刊未来将继续遵循这一标准为光学和光子学领域的科研人员提供优质高效的服务。
图5：曹健林主编为Martin Booth教授颁发Light: Science & Applications编委聘书
Q：据我们所知，除了显微学之外，您在物理学、生物医学等领域也有出色的成果。您认为自己是工程师、物理学家还是数学家？
A：我一直认为自己是一名工程师，我们的工作是创造解决实际技术问题的方案。然而，为了做到这一点，我们不得不涉足从光学基本理论到商业化应用的各个方面。因此，我们的研究团队不但拥有工程、物理和数学方面的专业知识，还拥有许多其他相关的技能。
Q：您一直是一位负责任的科学家和一位敬业的教育家。您认为向不同的受众传递科学知识有什么区别？在不同场合中，您一般会采取何种方法来达到最佳效果？
A：我认为至关重要的一点是要记住听众/观众和读者才是最重要的人。我们应该努力找到他们对主题理解的切入点，并确保我们从这个点开始构建我们的故事。另外，同样重要的一点是，我们要清楚我们想向听众传达的是什么，如果无法在展示的过程中突出核心信息，我们很难确保受众得到了他们真正需要的东西。
Q：您有一个庞大的学生和博士后团队。在面试时，您更看重什么样的素质和能力？
A：我认为最重要的是拥有快速学习并主动解决问题的能力。技术方面的能力和经验可以通过阅读和实践来获取，因此能够有效地阅读和实践很重要。当然，更重要的是能够创新的应用这些知识。我认为这对科研人员来说是最重要的技能。
Q：您一直鼓励年轻的研究人员站在科学研究的前沿，去追求他们所热爱的，去成就一番出色的事业。您对年轻的科研人员有什么建议？
A：年轻的科研人员很容易过度规划自己的职业发展。当然，规划未来并思考如何一步步实现很重要。但有时候可能会过多的纠结于细枝末节，而忽略了最重要的事情——开展高质量的研究。通常一些意想不到的结果会带来最有趣和最有价值的项目，有时最重要的文章往往来自于计划之外的研究。如果受限于传统，世界将错失许多年轻科研人员的有价值的研究成果，这将是一种损失。
图6：2018 Light Conference，Martin Booth教授和仇旻教授在茶歇期间交流。
Q：站在科学研究的前沿是非常具有挑战性的。您能否与青年科研人员分享您是如何平衡生活和工作的呢？
A：这对于各行各业来说均是一个挑战。科研是一个具有创造性的过程。它需要努力工作，但也需要丰富的想象力。最好的想法往往在不关注细节的时候出现。因此离开实验室或办公室是很重要的，偶尔换个环境会大有助益。
Q：您作为一名成功的科研工作者，有没有人对您的职业生涯产生过重大影响？是以什么方式呢？
A：许多人对我帮助很大，难以用一两个名字来概括。与许多优秀人士的合作使我受益匪浅，这里面有刚刚入学的本科生，也有一些年长的优秀同事。现在回想起来——我在离开学校很久后才意识到这一点——我很早就受到了高中英国文学老师的影响。他的课程很有趣，讨论的话题很广，但似乎很少涉及到英国文学。我现在意识到他真正教给我们的是批判性思维以及如何挑战一些固有的观念。这些技能不能算作某一门特定的学科，但是它们在科学研究中是至关重要的。
崔佳贺，英国牛津大学工程系博士后研究员，Pembroke学院特别研究员。2018年本科毕业于北京理工大学光电学院，2022年博士毕业于牛津大学工程系。主要研究方向包括自适应光学应用，医学诊疗成像，视网膜成像，视觉感知。在国际高水平SCI期刊上发表论文十余篇，美国光学学会（Optica）会员，担任Light: Science & Applications, Small, Photonics Research, Optics Letters, Optics Communications, Chinese Optics Letters等国际高水平期刊审稿人，累计审稿十余次。
何超，牛津大学圣约翰学院（St John’s College）青年研究员、博士生导师。博士两年毕业于牛津大学工程系，现以首席研究员（Principal Investigator, PI）主持两项研究课题。主要从事光子学与偏振光学领域中矢量光场调制、矢量自适应光学、矢量成像等相关方向的研究。迄今以第一作者兼通讯作者在Nature Communications, Light: Science & Applications, Optica, Advanced Photonics等国际期刊上发表学术论文若干篇。曾担任Nature Photonics, Light: Science & Applications, Optica等国际期刊审稿人。
