使用光学频率梳进行三维成像

图 1：双梳数字全息。频率梳发生器的规则脉冲串照亮一个物体（这里有两个反射光的硬币）。物体散射的波在空间和时间上与无透镜检测器矩阵中的参考梳的波发生干涉。DOI：10.1038/s41566-021-00892-x

       全息术是一种强大的、不需要镜头即可进行 3D 成像和显示的光场摄影技术。现在，马克斯普朗克量子光学研究所的科学家们正在通过使用光学频率梳推动全息技术向前发展。彩虹中所有颜色的数千张全息图可以被记录下来，通过数字处理，每个全息图提供了可以选择聚焦距离的场景的三维图像，将所有的全息图组合在一起，可以高精度且不模糊地呈现三维物体的几何形状。同时，频率梳还可以进行其他的诊断：在本文中，科学家们展示了氨蒸气云的分子选择性成像。

频率梳走向3D

        德国马克斯普朗克量子光学研究所 (MPQ) 的 Nathalie Picqué 领导的国际科学家团队在《Nature Photonics》杂志上展示了一种新的光学频率梳成像技术。

       光学频率梳发生器发出一串规则的短激光脉冲，频谱由大量精确等间距的光谱梳状线组成，这种频率梳使高精度地计算光波的摆动成为可能。MPQ 激光光谱学部门负责人 Theodor Hänsch 因这项发明分享了 2005 年诺贝尔物理学奖。后来， MPQ的Nathalie Picqué 小组开发了“双梳光谱”技术，频率梳的所有谱线都用于在宽光谱范围内同时作用样品，并且在快速光电探测器上将与具有略微不同间隔的第二束激光的梳状线的干涉读出。

       新的高光谱数字全息成像方法将相同的干涉方法扩展到全息成像。博士后研究员 Edoardo Vicentini 解释说：“这个装置看起来很简单。它只使用两个脉冲重复率略有不同的梳状发生器、一个部分透射分束镜和一个没有镜头的快速数字相机传感器。”

       其中一个脉冲串照亮一个三维物体，散射光被分束器收集到相机传感器上，第二个脉冲序列作为参考光束被照射到同一传感器上。因为两束激光发射的脉冲时间间隔是变化的，所以相机记录了随时间变化的空间干涉图案。

       在传统的全息术中，在胶片上记录精细的干涉图案，并且用激光束照射该全息图，通过光学衍射再现物体的原始波前。在数字全息术中，原始场景是通过模拟此过程的计算机程序重建的，在一项报道的实验中，使用不同距离的两个硬币作为物体，在数字重建过程中，可以改变聚焦距离，使得其中一个硬币看起来清晰，而另一个看起来模糊。

       Theodor Hänsch 说：“当我使用一个Matlab程序工作时，我非常兴奋，它可以非常快地生成我们重建图像的电影”，“然而，对于使用更快的百万像素分辨率相机，记录的数据量会变得相当大，因此数据处理将变得更具挑战性。”

       双梳光谱的先驱 Nathalie Picqué 说：“双梳干涉仪已经在光谱和测距方面产生了惊人的结果。宽光谱带宽、长时间相干性和多外差读出的独特组合提供了强大的新功能全息术。我们的技术可能将会在免扫描波前重建和三维计量学方面开辟新的领域。此外，探索其在生物样品显微镜检查方面的潜力也将是令人兴奋的。”

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