浙江大学刘旭、杨青教授团队以“中国光学十大进展”入选成果为基础，受邀在《激光与光电子学进展》“中国光学十大进展”专栏发表以“基于光场调控的多模光纤成像技术及应用”为题的综述文章。文章介绍了基于光场调控的多模光纤成像方法、多模光纤弯曲校正技术最新进展，以及多模光纤成像技术在多领域的应用，并分析了该技术的发展前景和挑战。

封面解读

       封面借助川剧变脸的形象描述了多模光纤的光场调控过程。脸谱的动态切换反映了光场调控前后的变化，并对应了一组典型的由螺旋相位产生涡旋光的过程。人物手中的光纤及其前后的光束展示了经调制的入射光场由多模光纤传输后可产生不同光场分布的过程，实现了对光纤输出光束的相位、光强、偏振等的调控。

       文章链接：张持铭, 祁绩, 文仲, 杨青, 刘旭. 基于光场调控的多模光纤成像技术及应用（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2025, 62(12): 1200001. 

  背景  

       传统高分辨显微成像系统体积庞大，难以在狭小空间（如生物腔道、精密仪器内部）中实现有效观测。内窥显微技术的出现部分解决了这一难题，但其探头直径较大，故仍存在侵入性强、灵活性不足等局限。

       多模光纤因其直径纤细（50~200 μm）、可承载数千光学模式的特点，成为了新一代高分辨成像工具，但传输中模式色散、模式耦合与弯曲形变导致的光场无序问题制约了其实际应用。将光场调控技术与数字相位共轭、传输矩阵、压缩感知和深度学习等方法结合，为这些问题的解决开辟了新途径，进而使得多模光纤成为了在体内窥成像的新工具。

基于光场调控的多模光纤成像方法

       多模光纤成像技术以光场调控为核心，通过精准调制入射光场的振幅、相位及偏振态，抑制由模式色散、模式耦合和弯曲形变引起的传输随机性，利用光纤远端生成的聚焦光斑或可控散斑作为照明/探测单元，最终实现高分辨率图像重构。

1）数字相位共轭

       数字相位共轭技术基于时间反演原理，利用干涉法记录光纤输出端散斑的复振幅分布，并生成其相位共轭光反向输入光纤，实现光场重聚焦，如图1所示。然而，该方法依赖精密光路对准，且易受环境振动和温度漂移干扰，故临床应用受限。

图1 多模光纤中的数字相位共轭成像技术

2）传输矩阵法

       传输矩阵描述了传输介质输入光场与输出光场之间的线性映射关系。研究者们将其运用到多模光纤成像中，结合离轴全息法等技术，来测量光纤复振幅传输矩阵，实现光场的精准调控，如图2所示。该方法具有稳定性高的优点，但校准过程复杂。

图2 基于传输矩阵的多模光纤成像典型光路图

3）基于压缩感知

       基于压缩感知的散斑照明是近年兴起的多模光纤成像技术，利用稀疏采样和优化算法，仅需少量散斑照明即可重建图像。该方法无需完整校准，系统精简，但算法收敛效率受限于散斑相关性。

4）基于深度学习

       利用神经网络（如卷积神经网络、生成对抗网络）学习多模光纤输入输出图像间的映射关系，训练好的神经网络模型可根据输出散斑重建输入图像。基于深度学习的多模光纤成像技术具有成像速度快、分辨率高的优点，但其泛化能力受限于训练数据集的质量，故对实际生物样本进行成像仍存在挑战。

多模光纤弯曲校正技术

       多模光纤传输模式特性对外界扰动（如光纤弯曲形变、温度变化、应力等）十分敏感，尤其是对弯曲形变的敏感性，严重限制了多模光纤在内窥成像中的应用。针对这些问题，研究人员提出了一系列多模光纤弯曲校正技术，这些方法无需直接接触光纤远端面，更符合内窥成像的实际应用场景，如图3所示。

图3 多模光纤弯曲校正技术。（a）在全息板生成虚拟信标原理图；（b）弯曲校正方法重新聚焦光斑；（c）渐变折射率光纤具有更好的抗弯曲性；（d）超表面反射结构；（e）多模光纤旋转记忆效应示意图

       以上方法依赖于复杂的端面制造工艺，且校正时间较长，这限制了其在实际内窥场景下的应用。2023年，浙江大学刘旭、杨青教授研究团队设计了一种空间频率域追踪自适应信标光场编码（STABLE）方法，通过全矢量入射波前调控，实时监测光纤弯曲状态，最终实现了毫秒量级的追踪反馈速度，如图4所示。

图4 空间频率域追踪自适应信标光场编码方法

       另一方面，随着深度学习技术在多模光纤成像中的应用，研究者们也提出了基于深度学习的抗弯曲成像方法，为解决多模光纤成像过程中的弯曲扰动、温度扰动与机械漂移等提供了新的方案。

多模光纤成像技术应用

       近年来，多模光纤成像技术在多个领域取得突破性进展，如图5所示。在医疗内窥镜检查中，借助纤细灵活的特性，多模光纤可以轻松深入到传统内窥镜难以到达的部位，具有良好的应用前景。一方面，研究人员已将多模光纤内窥成像技术应用于在体脑成像，可实现对神经元、血流等进行观察。另一方面，通过引入非线性效应，研究者们能够实现更高分辨率的成像、改善光信号传输的质量并拓展成像深度，这对于生物医学成像、光纤传感等领域具有重要意义。此外，多模光纤可以同时传输多种光学模式，在成像应用中可以充分发挥不同成像模式的优势，研究人员利用多模光纤实现了与光声成像、白光内窥成像、相位成像等结合的多模态成像。

图5 多模光纤成像技术应用。（a）小鼠深脑神经元和血流成像；（b）小鼠尾腱的偏振二次谐波成像；（c）白光和多模光纤集成内窥探头对结肠进行成像

总结与展望

       基于光场调控的多模光纤成像技术是一种极具潜力的成像手段：在技术层面，多模光纤内窥镜研究已取得显著进展——通过传输矩阵法与压缩感知等技术，实现了复杂弯曲环境下的实时校准与高分辨率成像；在应用方面，多模光纤成像在生物医学领域为在体组织成像与内窥成像提供了新的工具，并在非线性成像和多模态成像等领域中取得应用；多模光纤在光镊、光计算等领域也展现出了应用潜力。

       多模光纤成像技术目前仍面临一些挑战：动态场景下的实时成像速度受限于调制器件帧率与算法计算效率，难以满足临床术中需求；复杂生物组织环境引起的模式扰动与信号衰减，导致成像稳定性不足；成像系统的复杂性导致其操作难度较大。未来有望在多个方面取得突破：技术原理上，新型光场调控方法可提升分辨率并简化系统；算法开发将加速光场调控与图像重建，实现近实时成像；材料设备方面，抗弯曲渐变光纤与超快数字微镜器件等新型器件有望提升抗干扰能力和光能效率，且新型光纤材料可优化模态特性；系统小型化、集成化将推动临床应用。随着技术原理、材料等改进创新，该技术正从实验室向临床过渡，有望在更多交叉学科领域发挥作用。

作者简介

       文仲，浙江大学光电科学与工程学院助理研究员。从事显微内窥及光场调控等方向的研究工作，在Nature Photonics、Advanced Photonics、Science Bulletin 等刊物发表论文10余篇。

       杨青，浙江大学光电科学与工程学院教授，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，浙江省杰出青年基金获得者。长期从事微纳光子智能传感与成像交叉学科研究，提出了可调深移频机理可突破线性系统分辨率理论极限，研发了超分辨显微芯片、多模态高分辨内窥成像系统、高分辨智能缺陷检测系统等基于微纳光子技术的新型光学传感及成像器件和仪器。近年来在Nature Photonics、Advanced Materials、 Advanced Functional Materials 等期刊发表论文100余篇。

       刘旭，浙江大学光电科学与工程学院教授，博士生导师。长期从事光学薄膜技术、光电成像与光电显示技术等方向的研究与教学工作。现代光学仪器国家重点实验室主任，国家973项目首席科学家，中国光学学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士。主持了973、863、国家自然科学基金等项目，在国内外学术刊物与学术会议上共发表学术论文300余篇，获批发明专利80余项。

科学编辑 | 张持铭

编辑 | 贾文斌

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