双梳高光谱数字全息术

在双梳全息技术中，一个频率梳发生器，称为物体梳发生器，以重复频率f_rep发射一系列脉冲（图1）。它的光束要么通过3D物体传输，要么被三维物体反射。分束器将物体散射的光与第二个频率梳发生器（称为参考）的光束组合，重复频率f_rep+δf_rep略有不同。两列脉冲波前在快速无透镜探测器矩阵上发生干涉，在超过1/δf_rep的持续时间内，每个矩阵像素上的干涉信号作为时间的函数进行采样，同时保持完全的干涉相干性。两个脉冲序列的异步性使得目标波和参考波之间的干涉可以在一个光延迟范围内进行，该范围仅受干涉仪的相互相干时间限制，该时间可以超过1 s。然而，当干涉信号以1/f_rep的光延迟周期递归时，轴向模糊范围为c/f_rep，其中，c是光速。

 

图1 双梳数字全息术。频率梳发生器的规则脉冲序列照亮一个物体（这里有两枚硬币反射）。物体在空间和时间上散射的波与无透镜探测器矩阵上的参考梳的波发生干涉。分析时间和空间干涉恢复全息图及其再现图像（图2）。

由于重复频率通常在数百兆左右，该技术适用于大型物体。在记录结束时，获得与像素数量相同的时域干涉图（图2a）。对于每个像素，通过记录干涉图同时获取所有光谱元素。对每个像素干涉图进行傅里叶变换，以显示振幅和相位的复杂光谱（图2b）。即使使用内联配置，全息信号在光谱上也与非干涉零阶信号和双全息图（目标场的复共轭副本）的信号分离，因为它在不同的频率范围内映射。这种消除模糊的零级光和孪生像的简单方法可以被视为类似于相移全息术。因为单个的梳线被分解，所以获得了与梳线一样多的全息图。在明确定义的光学频率nf_rep+f_ceo（n为整数，f_ceo为载波包络偏移频率）下的振幅和相位全息图在射频nδf_rep+δf_ceo（δf_ceo为两个梳的载波包络偏移频率之差）处被映射到相机像素上。在所有梳频率下的一组复全息图提供了一个全息图超立方体（图2c）。然后，重建与其他数字全息技术中使用的重建类似。对于菲涅耳全息图，全息图乘以选定的参考波，反菲涅耳变换计算任何感兴趣深度的反向传播。图2d显示了在不同焦距下两个空间分离硬币的反射重建振幅图像。右边突出显示了两张聚焦硬币的振幅和相位图。此外，可以使用成熟的多波长全息技术处理不同频率的相位图。然而，在双梳干涉测量法中，一个显著的区别在于可以同时测量100000个频率。例如，可以在前所未有的规模上实现分层相位展开，以在不增加噪声的情况下扩展定量相位导数的模糊范围，从一条梳线的波长到对应于梳状重复频率的波长。此外，双梳全息图的高频率复用特性的另一个优点是多模态诊断的可能性。例如，如果物体吸收（或吸收体位于光束路径中），重建图像的振幅也会显示其光谱吸收图，从而实现识别和量化。与双梳高光谱成像不同，双梳数字全息术提供4D信息（3D空间和光谱维度）。

 

图2 双梳全息振幅和相位图的重建。a、 对象和参考波之间的干涉帧在检测器矩阵上作为时间的函数进行采样。这个物体由两个空间上分开的硬币组成。测量的时域干涉图数量与像素数量相同。b、 对于每个像素，对每个干涉图进行傅里叶变换，以显示具有解析梳线的频域振幅和相位谱。c、 全息图超立方体包括与梳线一样多的复杂全息图：在给定频率下，全息图包括所有探测器像素的光谱振幅和相位。d、对于每个频率，全息图的菲涅耳逆变换在整个焦距范围内产生振幅和相位图像。这里，突出显示了两张聚焦图像及其相位图。多相位贴图将使相位得以展开并使物体的三维结构得以渲染(图5)。

除了高光谱成像，这项技术还可能让熟悉单光电探测器双梳测距技术频率梳的读者想起，该技术结合了飞行时间（激光雷达）和干涉距离测量。然而，全息术和激光测距在原理和应用上有很大不同。这些差异同样适用于双梳实现。特别是，激光雷达依赖于这样一种假设，即物体和探测器像素之间存在明确的逐点对应关系。利用探测器矩阵或多路复用技术的激光雷达方法平行于这一假设。另一方面，在全息术中，复杂物体波会散射，并在空间上与参考波发生干涉。全息图的再现分析了这种二维干涉图，以恢复复杂的物体场及其深度和视差。数字全息术是一种功能独特的无透镜、无扫描三维成像方法，可以在微尺度和纳米尺度（可能是高时间分辨率）通过线性和非线性介质进行成像。它的应用包括光学轮廓和变形测量、波前传感、相对较短距离的三维轮廓（与激光雷达技术显示的数百公里相比）、生命科学的显微镜和纳米镜、粒子成像测速、层析成像和激光散斑对比成像以及在光学遗传学、数据存储或虚拟和增强现实的近眼显示等领域通过计算机生成的全息图生成复杂的3D波前。

研究人员在近红外通信光谱区进行了内联菲涅耳双梳全息术原理的实验证明（图3a）。缓慢的InGaAs探测器矩阵（320 Hz帧速率）决定了梳线的数量较少，测量时间较长，这影响了基于电光频率梳发生器的双梳干涉仪的选择。通过使用分束器分割连续波激光器的输出，研究人员生成了两个重复频率略有不同的频率梳，对象梳为f_rep，参考梳为f_rep+δf_rep并通过电光振幅调制器发送每个光束，产生约50 ps的脉冲。物体梳的重复频率和重复频率差为f_rep=500 MHz，δf_rep=1 Hz（图3b和4）或f_rep=1000 MHz，δf_rep=2 Hz（图2和5）。实际上，研究人员从两个不同频率的独立连续波激光器（这里约195 THz）开始，实现了更宽的光谱覆盖。它们的输出被叠加，使得每个调制器产生两个光谱分离的频率梳。这两个梳不需要相互连贯，研究人员也没有试图做到这一点。四个调制器输入光束中的每一个都用声光移频器进行了微调，使两个双梳光谱分别在40 Hz和120 Hz的相机采样带宽内进行映射。分束器将散射波与参考梳发生器的光束相结合。目标波和参考波在320×256像素的无透镜InGaAs探测器矩阵上跳动。

 

图3 用于内联菲涅耳全息术的双梳干涉术。a、 设置为使用电光调制器实施。两个连续波（CW）激光器以略微不同的重复频率驱动两个振幅调制器。每个调制器产生两个线间距相同但中心频率可独立调节的梳。声光调制器（AOM）在探测器矩阵带宽内对下变频双梳光谱进行频移。目标梳波被目标散射并在检测器矩阵处与参考梳波发生干扰。b、 大约100行像素（160，128）的双梳振幅谱。插图显示了三条单独的梳线。在所有像素的一条梳线位置，复光谱的振幅和相位以给定频率生成复全息图。

图4 实验性双梳全息图超立方体的再现图示。物体是一枚硬币，实验是在物体光束路径中存在吸收器（氨蒸汽）的情况下进行的。上图：在195.351 THz（左）和195.731 THz（右）的频率下，硬币聚焦（697 mm）的重建振幅图像。底部：重建振幅图像立方体的81920个像素中的每一个都可以绘制为高分辨率光谱，例如这里为像素（160128）绘制的光谱。该光谱显示了NH₃中的混合跃迁PP（5，3）a，该跃迁PP（5，3）a具有足够高的信噪比，以实现精确的浓度测量。

图5 通过双梳全息观察到的硬币相位图的三维重建图像。在不同的光学频率下，用大约40条梳线进行多频相位展开，以消除2π相位模糊并绘制硬币的三维地图。

在第一个实验中，该技术的3D特征得到了验证。这些物品是两枚硬币（1欧元），相距9 cm（图2）。干涉图超立方体用于生成全息图超立方体，然后，研究人员按照图2中解释的一般程序重建振幅和相位图。振幅图像显示一枚硬币处于焦点位置，而另一枚则不在焦点位置（图2d）。

第二个实验说明了多模式诊断技术的能力。这两个连续波激光器分别以195.353 THz和195.725 THz的光学频率发射。物体光束被一枚硬币（1）反射和散射并沿每个方向穿过空气中40 cm的氨蒸汽。干涉图超立方体由81920个像素干涉图组成，测量周期为91 s。像素干涉图的傅里叶变换产生振幅（图3b）和相位谱，每个像素有100条解析梳线。每个双梳全息图频谱显示两个下变频梳，分别以40 Hz（对于以195.353 THz为中心的梳）和120 Hz（对于以195.725 THz为中心的梳）为中心。双梳全息术在任何焦距下都能提供高质量的复杂图像：采用菲涅耳逆变换，假设一个平面波参考波，在任何所需深度计算出100个不同光学频率的一组振幅和相位图像。在硬币的焦距（焦距为69.7 cm）处，两幅振幅图像（一幅在NH₃吸收线外，一幅在NH₃吸收线内）显示出极好的一致性（图4）；但是，正如预期的那样，后者被强烈削弱。对于81920个像素中的每一个，梳状线频率上的振幅变化提供了沿光束路径的吸收。像素（160128）的NH₃吸收光谱与根据高分辨率透射分子吸收数据库（图4）中可用的线参数调整的光谱显示出良好的一致性，证明了浓度测量技术的潜力。与数字全息术中常见的情况一样，即使在探测器像素出现故障的情况下，也可以重建图像。

大频率多路复用的好处不仅限于多模式诊断的可能性。全息测量的模糊范围也大大增强，如第三个致力于深度图三维重建的实验所示。使用多频相位展开，仅限于不被样品吸收的梳线的相位图像，重建定量3D相位图（图5）。

当双梳全息术被移动到可见光和近红外波长范围（低至1 µm）时，它将得到极大的改进。基于硅技术的更快的相机在市场上可以买到，具有更多的像素和更大的传感器。在600×400像素的情况下，每秒可实现高达3×10⁵帧的速率。它们的使用将使增加梳线的数量、跨度、测量速度和空间分辨率成为可能，从而实现基于自参考光纤的频率梳合成器的强大实现。在更高频率下映射双梳信号将更不受技术噪声的影响（这是目前的主要限制）。更大的跨距对于获得更宽、更均匀的合成频率集至关重要并将改进相位展开程序。此外，宽跨度将有助于用同一仪器同时实现多种光学诊断，例如，具有高光谱分辨率的高光谱3D成像。虽然吸收在可见光范围内通常很弱，但利用相干拉曼效应等非线性双梳光谱技术可以获得基本振动带。基于两个频率梳合成器的高互相干性干涉仪完全参照射频时钟，可以方便地从光纤激光系统获得，这将是探索这种技术在精度和准确性方面的前沿的关键并将使双梳全息技术发展成为一种尺寸计量工具。

从长远来看，摄像头技术的进步可能会使该技术扩展到中红外甚至太赫兹等光谱区域。目前，一些技术挑战阻碍了这一进程。例如，这些区域的相机传感器帧速率较慢，需要在低频范围内对双梳状信号进行下变频，这容易产生更强的强度噪声且需要利用相互相干时间更长的干涉仪。然而，视觉不透明物体的特征化是一个特别令人兴奋的前景。在数字全息和频率梳发生器的长波程现有仪器的基础上，进一步的应用也可能出现在质量控制或生物医学传感等领域。

双梳干涉仪在光谱学、光谱成像和测距方面已经显示出了诱人的潜力。它们独特的宽光谱带宽、长时间相干和多外差读出的组合为全息术提供了一系列独特的强大功能，频率复用、精度、精度、速度、大模糊范围，有可能征服无扫描波前重建和三维计量学的新前沿。