神视光纤

多模光纤成像技术因其超细微型探头和柔性结构带来的灵活性优势，在生物体内成像、工业检测等领域具有广阔的应用前景，获得了业界广泛的关注。目前，多模光纤成像技术主要分为两类，一类通过在光纤远端产生聚焦点进行扫描成像，另一类通过探测光纤近端的散斑场来恢复光纤远端被探测的全场图像。这两种技术途径已有较完善的理论支撑，能得到较清晰的探测图像，但同时也具有一些难以弥补的劣势。例如：受限于空间光调制器、CCD或CMOS器件的刷新速度，成像帧率较低，难以对高速的事件进行成像；结构中包含自由空间光学元件，因此需要精密的光学对准，无法与传像主体集成实现全光纤化，限制了其应用范围；成像波长受限于CCD或CMOS器件的感光光谱范围，限制了其在红外波段的成像能力。上图 高速多模光纤成像系统示意图。a：实验原理图；b：以神经网络进行图像恢复的流程图；c：光纤探头示意图；d：照明光（黄色箭头）侧面注入探测光纤的示意图，信号光（红色箭头）在纤芯中传播；e：探测光纤远端照片，端面通过烧球来更好地聚焦照明光，比例尺500微米。为此，清华大学精密仪器系先进激光技术研究团队基于十多年来在光纤激光器、光纤器件和光纤传感的技术积累，提出了基于多模光纤模式色散和深度学习的高速全光纤化成像技术。该技术采用皮秒脉冲光纤激光照明被测物，利用多模光纤的模间色散特性将被探测图像的空间信息在时域上展开，时域信息通过单像素探测器进行探测，并借助神经网络训练的方法，由一维时域信息恢复出二维图像信息，整体结构和原理如图1所示。图2 被探测图像与其对应的波形和恢复结果该技术通过一个光纤侧面耦合器将皮秒脉冲光纤激光耦合到探测光纤中，然后从光纤的远端出射照到物体上，反射光进入探测光纤后紧接着进入与之连接的一公里长的50/125微米直径多模阶跃光纤中传播。由于模间色散的存在，进入多模光纤的脉冲光会产生分裂形成脉冲串。如图2所示，不同的光纤横模具有不同的群速度，因此在时域上会彼此分离，而这些横模包含了被探测图像的空间信息，通过模式色散便可将被探测物体的空域信息在时域上展开。图3 不同类型图案的成像效果通过超快光电探测器可以获得脉冲串波形，经神经网络模型进行训练后，可以直接从不同的脉冲波形中恢复出被探测图像。图3展示了来自不同数据库中图案的成像效果。该系统的成像帧率主要取决于脉冲光的重频，目前实验中已实现高达15.4Mfps帧率的成像，并实验验证了达到53.5Mfps帧率的可行性。系统在高帧率成像的同时具备连续采集一万帧图像（大帧深）的能力。如果采用重复频率更高的激光照明源，并搭配更快的光电探测器和时域波形采集设备，其帧率可以持续提升。团队所提出的新技术的突出优点是：帧率主要由脉冲光源的重频决定，成像帧率高；全光纤化的系统结构紧凑，细如发丝的探头大大增加了灵活性；单像素成像，探测波段不再受限于可见光，可扩展到近红外、甚至中波红外等其他波段；采集时域信号而非空间分布，抗干扰能力强。该系统在某些高速成像场景中比如体内高速细胞成像，或工业场景下对难以开放系统的内部高速成像检测等领域具有巨大应用潜力。该研究成果近日以“深度学习赋能全光纤高速图像探测”（All-fiber high-speed image detection enabled by deep learning）为题，发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该论文通讯作者为清华大学精密仪器系副教授肖起榕，第一作者为精密仪器系2018级博士生刘洲天。该研究得到了国家自然科学基金资助。 清华大学精密仪器系先进激光技术研究团队学术带头人为系主任、教授柳强，团队以现代化强国建设与国家重大需求为导向，着眼于光电子技术领域的科学与技术发展前沿，围绕固体激光、光纤光学、自适应光学、激光探测等方向，开展基础科学探索、应用基础研究和系统技术研发，全面覆盖高功率激光光源、光束控制、光电探测等技术领域。团队承担国家科技重大专项、国家重点研发计划、“973”计划、“863”计划、重点验证、专项配套型号研究等一系列重大项目，形成了从高功率激光光源到微弱光电信号测控的整套技术链条，具备完整的激光光电和测控技术能力，在相应研究方面取得了重要进展。2018年获批建设光子测控技术教育部重点实验室，2019年入选重点领域科技创新团队。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 现代社会，宠物猫是许多人家中的一分子，关怀猫咪的健康也是饲养者的责任。可是猫不会说话，饲养者工作忙碌时，难免忽略了猫咪在行为中展现的疾病征兆，尤其是猫咪健康的头号杀手-肾病，最需要被早发现，早治疗。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在科技部专题计划的支持下，台湾交通大学光电系冉晓雯教授，交通大学物理所孟心飞教授与高雄中兴动物医院黄明如副院长合作，针对猫肾病的体外检测技术进行开发，只要使用一般市售猫砂，就可以成功分析出猫尿尿素的浓度，从而获取猫的肾病状况，检测系统为团队过去多年建立的双光纤微反应槽技术，由两根光纤搭配3D打印的检测槽，以低成本的电子元件组装，即可进行即时检测，这是首次从一般猫砂中可以检测猫肾病的独创技术。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 514px height: 366px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/093067e8-ad58-4293-91e7-18d49e569580.jpg" title=" most.jpg" alt=" most.jpg" width=" 514" height=" 366" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近几年来，许多研究团队开发出各种人体疾病的体外检测技术，然而相较之下，动物疾病的体外检测技术仍相对缺乏。动物的病征常常不够明显，等到主人发现动物出现明显的行为变化时，病况通常已经相当严重。因此，若能开发动物可以使用的疾病检测工具，有助于早发现早治疗。然而，体外检测通常依赖尿液、唾液或呼气，在动物身上，要取得这些检体并不容易，因此，开发出可以有效搜集检体进行检测的方法是此类技术发展的关键。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在家猫当中，肾病是最普遍的疾病，根据推测，超过一半的10岁以上宠物猫患有慢性肾脏病。倘若能有居家监测工具，宠物猫的健康也会更有保障，猫的呼气、唾液、尿液均不易取得，因此团队使用过去多年开发的双光纤微反应槽做为尿素检测工具，使用一般市面上常用的猫砂，待吸收猫尿后经过加水稀释过滤，分析其尿液尿素，经过半年的研究，发现此猫砂分析方法确实能反应猫的肾病状况，可以提供动物诊所或居家使用。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 514px height: 269px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/e2deb459-b1c8-4067-8c24-f2ac8021bda9.jpg" title=" 台湾交大.jpg" alt=" 台湾交大.jpg" width=" 514" height=" 269" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 这款便携式可即时反应的双光纤微反应槽尿素检测工具过去已成功应用于慢性肾脏病患者人体临床实验中的唾液尿素检测，并于2019年在《生物传感器与生物电子学》（Biosensors and Bioelectronics）上发表，该工具仅需使用半颗米粒大小的唾液就可进行即时检测，且克服了传统光纤生化传感器会因为光纤对位不准所造成的信号偏移问题，研究团队的双光纤微检测槽只需靠着3D打印槽上的刻痕粗略对位，就能确保系统传感特性的稳定性。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 目前，适合居家简易操作的尿素检测棒也正在发展中，将引入冉晓雯团队与法国国家科研中心（CNRS）米卢斯材料科学研究所Olivier Soppera共同指导的光直写半导体制程技术，此技术可以很容易地在塑胶棒上面制作出半导体元件，已发表的系列工作包含使用深紫外激光制备铟镓锌氧化物晶体管，使用双光子近红外激光使二氧化钛溶液产生具有导电性能的石墨烯碳颗粒，结合这些光直写技术，研究团队预计2020年内可完成尿素检测棒，提供居家易操作的猫砂检测。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 上述跨领域甚至跨国的研究成果，部分已发表于《生物传感器与生物电子学》(Biosensors and Bioelectronics)以及《先进材料》(Advanced Materials)期刊，这些成果对于未来拓展动物体外检测以及人体唾液/尿液中各类分子的检测有很大的帮助。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 参考资料： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " a href=" https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.03.007" target=" _blank" https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.03.007 /a /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " a href=" https://doi.org/10.1002/adma.201805093" target=" _blank" https://doi.org/10.1002/adma.201805093 /a /p

源起当下全球制造业开启“工业4.0”进程，我国亦提出了“工业2025”计划，工业自动化行业将在中国制造业的未来发展中占有举足轻重的地位，未来仍将保持较快的发展速度。随之而来的是制造业对仪器和设备的要求也越来越高，如：半导体、生物制药等行业一直在寻求更高性能的小型光谱仪。自海洋光学推出光纤光谱仪的概念后，传统小型光纤光谱仪发展迅速，但近年来小型光纤光谱仪进入了瓶颈期，由于核心器件性能的影响，光谱仪在信噪比、采集速度、分辨率等方面未有较大进步。“灯塔”引路作为小型光纤光谱仪的发明者，海洋光学推出的USB2000+和Flame系列光谱仪，应用广泛且颇受好评，一直是学术界和制造业的宠儿。探索不止于此海洋光学深知市场动态和需求，为此开启了“灯塔”项目，致力于新一代光纤光谱仪的研发，旨在从根本上提升小型光纤光谱仪的性能。终传捷报，“灯塔”点亮海洋光学全新一代小型光纤光谱仪SR系列荣耀登场继承了上一代光谱仪集成便捷、应用广泛、性能稳定的优势，同时取得了多项突破性进展。系列首 款SR2更高、更快、更强全“芯”设计——从光路设计，电路设计到核心探测器，都是全新的独立设计与选择。“步步高升”——提供了远超上一代光谱仪的信噪比（380:1）与动态范围（3400:1）并提高了分辨率水平。“唯快不破”——积分时间有了重大突破，由毫秒级到现在的10微秒积分时间。“自强不息”——特别添加板载平均的功能，可在光谱仪内部直接计算出多次采集的平均值，再输出结果。在峰形对称性上表现更好，同时提升了在紫外段的杂散光抑制水平，可获取更精确的数据。此外，SR2的光谱平均性、热稳定性等也得到进一步优化，在激光表征、等离子体检测、 DNA、蛋白质等生物分子的吸光度测量等应用表现出色。为更多用户和新兴领域，如半导体，智能制造，生物制药等解决更多科研与生产的问题。更多精彩等你发现！免费试用 先到先得想要先一睹SR2的风采吗？想要体验新一代光谱仪的优 秀吗？快来申请抢先免费体验啦！！！关注“蔚海光学”微信公众号或官网获取申请入口，审核通过后即可获得第 一批免费试用资格，同时附赠使用期间原厂应用专家服务和技术支持。申请时间：2022.5.6—2022.6.5试用期限：10天，自样机签收之日起试用后提供优质试用报告反馈者，可以8折优惠价购买一台SR2。活动说明1.活动期间，您只需提交试用申请，即有机会获得SR2光谱仪10天免费试用体验。2.申请活动结束后会按申请顺序与您联系，评估完成后即可预约具体的试用日期。3.试用前，需签署《样机借用协议》。4.本活动限与海洋光学工业和科研业务相关的终端客户参与。* 本活动最终解释权归海洋光学所有