Nature Photonics：当全息遇见光频梳

撰稿 | 王振海（清华大学，博士生）

说明 | 本文来自课题组（论文作者）投稿

全息(holography)（名词解释>），来源于希腊语“holos”和“gram”，意即“完全的信息”。1947年，匈牙利籍英国物理学家Dennis Gabor发明了全息摄影术，相关文章于1948年发表于Nature，Gabor也因此项工作获得了1971年的诺贝尔物理学奖。然而，由于缺少理想的相干光源，全息技术进展缓慢，早期主要用于提高电子显微镜的分辨率，直至1960年激光的发明，全息技术才迎来了新的曙光。

1967年，Goodman和Lawrence提出了数字全息技术，采用光敏电子成像器件代替传统记录干板记录全息图，通过计算机模拟光学衍射过程再现全息信息，实现了全息记录、存储和再现的全过程数字化。

目前，数字全息技术已广泛应用于三维形貌检测、波前传感、显微观测、粒子场分析与测试、光遗传学、虚拟/增强现实等场合。然而，现有的数字全息技术多采用单色激光，面临零级像与共轭像难以消除，难以获得连续分布的解包裹相位像、成像分辨率低等问题和挑战，成像质量有待进一步提高。

鉴于此，来自德国马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)、意大利米兰理工大学、清华大学及比利时根特大学的研究团队，创造性地将双光梳技术与数字全息技术相结合，利用双光梳技术宽光谱、高时间互相干性等优势，实现了高精度三维数字全息重建。

图1：双光梳技术与数字全息技术结合效果图

该成果以“Dual-comb hyperspectral digital holography”为题发表在Nature Photonics，并受到了Phys.org、Spectroscopy Europe等相关媒体的报道。

光学频率梳（名词解释>），简称“光频梳”，是一把测量频率和时间的尺子，在频谱上由一系列分立、严格等间隔的梳状频谱线组成，Theodor Hänsch（本文作者之一）和John L. Hall因对光频梳技术的开创性工作，获得了2005年诺贝尔物理学奖。

在此基础上，过去的十多年中，来自MPQ的Nathalie Picqué和Theodor Hänsch研究团队一直致力于发展双光梳光谱技术。

在原理验证性的实验中，作者采用连续激光器和电光调制器产生两台重复频率略微不同的电光频率梳，一台电光频率梳经过待测样品，一台电光频率梳作为参考，其中待测样品包括氨蒸汽、反射型三维表面（硬币）。待测光和参考光汇聚于CCD相机，产生干涉信号，系统原理图如图2所示：

图2：双光梳数字全息系统原理图

首先，作者对两个硬币的表面进行全息成像，以此展示双光梳数字全息波前记录和重建过程，如图3所示。两枚硬币间隔为9cm，CCD相机帧频为320Hz，共计81920个像素点，每一个像素点可通过干涉图完成波前信息的记录，测量时间为3.5s。每一个像素点包含所有频率分量即每一根梳齿的波前信息，对干涉图进行傅里叶变换（名词解释>）可得对应的强度、相位信息，所有梳齿的波前信息一起构成全息图超立方体。对于每一根梳齿，采用逆菲涅尔变换（名词解释>）进行波前重建，可得不同对焦距离处的振幅和相位图。与传统的多波长或低相干性数字全息技术相比，双光梳全息技术可以有效地消除零级像和共轭像的干扰，避免使用相移技术，提高了全息成像质量。

图3：双光梳数字全息波前重建流程图

进一步搭建双光梳同轴数字全息实验装置，如图4所示。采用两支连续激光器，中心频率分别为195.353THz和195.725THz，通过电光调制器产生4台电光频率梳。图3b为经傅里叶变换得到的光谱信息，对应的每两台电光频率梳经下转换至微波段，中心频率为40Hz和120Hz，梳齿总数为100。测量样品为氨蒸汽、硬币表面，测量时间为91.0s。

图4：双光梳同轴数字全息实验装置

图5为像素点（160,128）处氨蒸气光谱测量结果，与HITRAN数据库计算结果高度吻合，该结果表明双光梳全息技术可同时实现气体光谱高精度测量。

图5：双光梳数字全息重建结果展示：上图为不同双光梳（195.353THz和195.725THz）在焦点697mm处硬币表面强度重建；下图为氨蒸气测量结果

利用多波长相位解包裹算法，可以实现硬币表面高精度三维重构，如图6所示。

图6：硬币表面高精度三维重构

目前，本工作的全息重建精度主要受相机随机相位噪声、电光频率梳强度噪声等影响，采用性能更加优异的高速相机、光纤光学频率梳可进一步提高重建精度。

诺贝尔奖得主Theodor Hänsch表示：“我很兴奋地看到，运行一下Matlab程序，重建的图像便可以快速生成。”

双光梳光谱领域的先驱 Nathalie Picqué总结道：“双光梳干涉仪具有宽光谱、长时间互相干性以及多外差等独特优势，这些优势合在一起，构建起强大的双光梳数字全息技术。”

前景展望

随着相机成像技术的发展，双光梳数字全息技术可进一步扩展至中红外甚至太赫兹波段，同时，通过改善相机成像速度、光梳光谱带宽、双光梳互相干性等指标，双光梳数字全息技术各项指标将迎来新的突破。双光梳数字全息技术将为免扫描波前重建、三维计量学等领域开辟新的研究方向，未来有望将其应用于生命科学显微成像、激光雷达、AR/VR等场合。

论文信息

Vicentini, E., Wang, Z., Van Gasse, K. et al. Dual-comb hyperspectral digital holography. Nat. Photon. 15, 890–894 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00892-x

视频介绍

参考资料：

1. https://phys.org/news/2021-12-three-dimensional-imaging-optical-frequency.html

2. https://www.spectroscopyeurope.com/news/4d-holographic-hyperspectral-imaging

转载/合作/课题组投稿，微信：447882024

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