8月26日，光学顶级期刊Light: Science &Applications刊发我院刘世元教授团队在计算超宽光谱计算成像领域的新成果，题为“Ultra-broadband diffractive imaging with unknown probe spectrum (超宽光谱相干衍射成像)”，陈创创博士为论文第一作者，刘世元教授和谷洪刚教授为通讯作者，我校智能制造装备与技术全国重点实验室为论文完成单位。
宽光谱相干衍射成像技术(Broadband Coherent Diffractive Imaging, BCDI)是相干衍射成像技术(Coherent Diffractive Imaging, CDI)在光谱带宽维度的进一步拓展和延伸。BCDI技术中光谱展宽时间退相干效应导致衍射信号显著混叠，最终影响相干衍射计算成像算法正确收敛。现有BCDI技术普遍受制于先验光谱信息和逐波长寻优的相位恢复迭代优化算法，导致其在根本原理上限制了光谱带宽的进一步拓展。
研究团队针对BCDI技术中所存在的成像系统光谱特征信息测量问题和宽光谱衍射信号退相干问题，提出了一种“光谱原位测量-稀疏光谱采样单色化”的超宽光谱相干衍射成像全新范式，可同时获得无先验光谱信息条件下的超宽光谱相干衍射计算成像和成像系统光谱特征的原位测量。
图1 超宽光谱部分相干衍射计算成像方法
在成像系统光谱原位测量方面，提出采用宽光谱衍射光强相干模式分解理论对未知光谱特征的超宽光谱衍射图像进行相干模式分解。通过求解衍射光强的相干模式叠加模型，可以获得成像系统的光谱特征原位测量信息。此方法获得的光谱特征信息融合了样品的光谱传递函数（如透射率、反射率等）以及探测器的光谱非线性响应。故而消除了对待测样品的非色散约束和探测器非线性误差。
图2 超宽光谱部分相干衍射成像系统光谱特征原位测量实验
在超宽光谱部分相干衍射图像的相干性复原方面，提出使用稳定双共轭梯度算法（BiCGStab）对超宽光谱衍射退相干光强信号进行单色化求解。根据获得的原位光谱测量信息，建立宽光谱衍射图像的单色化矩阵，并采用BiCGStab算法对该矩阵方程进行快速、鲁棒相干复原求解，最终获得相干性显著提升的单色化衍射图像。
图3 超宽光谱部分相干衍射成像实验
该研究工作在41% FWHM的超宽光谱波段上进行了超宽光谱相干衍射计算成像实验。实验结果验证了该方法在原位光谱测量方面的优异性能（如图2所示），以及在超宽光谱衍射图像单色化求解方面的良好表现（如图3所示）。所提方法克服了现有技术对先验光谱信息及非色散样品的约束和依赖。在光谱带宽方面，该方法比传统单色化方法提高了4倍，光子能量效率提升了三个数量级，单色化求解速度提升了30倍；在泛化能力方面，该方法具备良好的多场景应用兼容性，可广泛适用于现有通用CDI技术。
该研究工作是刘世元教授团队在计算成像方向近期发表的第7篇论文（包括2篇Light Sci. Appl.、2篇IEEE Trans. Instrum. Meas.、2篇Opt. Lasers Eng.、1篇Opt. Laser Technol.），相关工作得到了国家自然科学基金重点项目(52130504)、湖北省重点研发计划(2021BAA013)、光谷实验室创新项目(OVL2023PY003)等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01581-4
Light新闻报道：https://mp.weixin.qq.com/s/TXpFWb4i6fLVfsxAzAI5cg
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