撰稿 | 王振海（清華大學，博士生）

說明 | 本文來自課題組（論文作者）投稿

全息(holography)（名詞解釋>），來源于希臘語“holos”和“gram”，意即“完全的信息”。1947年，匈牙利籍英國物理學家Dennis Gabor發明了全息攝影術，相關文章于1948年發表于Nature，Gabor也因此項工作獲得了1971年的諾貝爾物理學獎。然而，由于缺少理想的相干光源，全息技術進展緩慢，早期主要用于提高電子顯微鏡的分辨率，直至1960年激光的發明，全息技術才迎來了新的曙光。

1967年，Goodman和Lawrence提出了數字全息技術，采用光敏電子成像器件代替傳統記錄干板記錄全息圖，通過計算機模擬光學衍射過程再現全息信息，實現了全息記錄、存儲和再現的全過程數字化。

目前，數字全息技術已廣泛應用于三維形貌檢測、波前傳感、顯微觀測、粒子場分析與測試、光遺傳學、虛擬/增強現實等場合。然而，現有的數字全息技術多采用單色激光，面臨零級像與共軛像難以消除，難以獲得連續分布的解包裹相位像、成像分辨率低等問題和挑戰，成像質量有待進一步提高。

鑒于此，來自德國馬克斯·普朗克量子光學研究所(MPQ)、意大利米蘭理工大學、清華大學及比利時根特大學的研究團隊，創造性地將雙光梳技術與數字全息技術相結合，利用雙光梳技術寬光譜、高時間互相干性等優勢，實現了高精度三維數字全息重建。

圖1：雙光梳技術與數字全息技術結合效果圖

該成果以“Dual-comb hyperspectral digital holography”為題發表在Nature Photonics，并受到了Phys.org、Spectroscopy Europe等相關媒體的報道。

光學頻率梳（名詞解釋>），簡稱“光頻梳”，是一把測量頻率和時間的尺子，在頻譜上由一系列分立、嚴格等間隔的梳狀頻譜線組成，Theodor H?nsch（本文作者之一）和John L. Hall因對光頻梳技術的開創性工作，獲得了2005年諾貝爾物理學獎。

在此基礎上，過去的十多年中，來自MPQ的Nathalie Picqué和Theodor H?nsch研究團隊一直致力于發展雙光梳光譜技術。

在原理驗證性的實驗中，作者采用連續激光器和電光調制器產生兩臺重復頻率略微不同的電光頻率梳，一臺電光頻率梳經過待測樣品，一臺電光頻率梳作為參考，其中待測樣品包括氨蒸汽、反射型三維表面（硬幣）。待測光和參考光匯聚于CCD相機，產生干涉信號，系統原理圖如圖2所示：

圖2：雙光梳數字全息系統原理圖

首先，作者對兩個硬幣的表面進行全息成像，以此展示雙光梳數字全息波前記錄和重建過程，如圖3所示。兩枚硬幣間隔為9cm，CCD相機幀頻為320Hz，共計81920個像素點，每一個像素點可通過干涉圖完成波前信息的記錄，測量時間為3.5s。每一個像素點包含所有頻率分量即每一根梳齒的波前信息，對干涉圖進行傅里葉變換（名詞解釋>）可得對應的強度、相位信息，所有梳齒的波前信息一起構成全息圖超立方體。對于每一根梳齒，采用逆菲涅爾變換（名詞解釋>）進行波前重建，可得不同對焦距離處的振幅和相位圖。與傳統的多波長或低相干性數字全息技術相比，雙光梳全息技術可以有效地消除零級像和共軛像的干擾，避免使用相移技術，提高了全息成像質量。

圖3：雙光梳數字全息波前重建流程圖

進一步搭建雙光梳同軸數字全息實驗裝置，如圖4所示。采用兩支連續激光器，中心頻率分別為195.353THz和195.725THz，通過電光調制器產生4臺電光頻率梳。圖3b為經傅里葉變換得到的光譜信息，對應的每兩臺電光頻率梳經下轉換至微波段，中心頻率為40Hz和120Hz，梳齒總數為100。測量樣品為氨蒸汽、硬幣表面，測量時間為91.0s。

圖4：雙光梳同軸數字全息實驗裝置

圖5為像素點（160,128）處氨蒸氣光譜測量結果，與HITRAN數據庫計算結果高度吻合，該結果表明雙光梳全息技術可同時實現氣體光譜高精度測量。

圖5：雙光梳數字全息重建結果展示：上圖為不同雙光梳（195.353THz和195.725THz）在焦點697mm處硬幣表面強度重建；下圖為氨蒸氣測量結果

利用多波長相位解包裹算法，可以實現硬幣表面高精度三維重構，如圖6所示。

圖6：硬幣表面高精度三維重構

目前，本工作的全息重建精度主要受相機隨機相位噪聲、電光頻率梳強度噪聲等影響，采用性能更加優異的高速相機、光纖光學頻率梳可進一步提高重建精度。

諾貝爾獎得主Theodor H?nsch表示：“我很興奮地看到，運行一下Matlab程序，重建的圖像便可以快速生成。”

雙光梳光譜領域的先驅 Nathalie Picqué總結道：“雙光梳干涉儀具有寬光譜、長時間互相干性以及多外差等獨特優勢，這些優勢合在一起，構建起強大的雙光梳數字全息技術。”

前景展望

隨著相機成像技術的發展，雙光梳數字全息技術可進一步擴展至中紅外甚至太赫茲波段，同時，通過改善相機成像速度、光梳光譜帶寬、雙光梳互相干性等指標，雙光梳數字全息技術各項指標將迎來新的突破。雙光梳數字全息技術將為免掃描波前重建、三維計量學等領域開辟新的研究方向，未來有望將其應用于生命科學顯微成像、激光雷達、AR/VR等場合。

論文信息

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

視頻介紹

參考資料：

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

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

轉載/合作/課題組投稿，微信：447882024

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