研究方向：生物组织布里渊散射弹性成像
完成单位：北京航空航天大学，南昌航空大学
发表论文：
Nenghao Xia, Hao Huang, Kui Peng, Xingdao He, Jiulin Shi, “High-precision Brillouin frequency shift extraction using a double-stage orthogonal VIPA-based spectrometer，”Optics Express 33 (25), 52938-52947 (2025).
论文链接：
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-33-25-52938
文献检索：
https://doi.org/10.1364/OE.577309
1.研究背景
布里渊显微镜凭借全光学、无标记、非接触和亚细胞分辨率等优势，非常适合对各种生物组织进行三维（3D）成像。自Giuliano和Yun将虚像相位阵列(VIPA)标准具引入布里渊光谱仪以来，布里渊显微镜的测量速度得到了显著提升。从单级VIPA光谱仪发展到消光比为55 dB的串联双级VIPA光谱仪，能够实现生物组织中布里渊频移的测量。此后，基于VIPA的布里渊光谱仪不断朝着更高消光比和更快扫描成像的方向发展。
为了测量布里渊频移，用于表征基于VIPA的光谱仪光谱特性的色散模型有多种，但目前针对双级正交VIPA的理论研究相对有限，缺乏有效的分析方法。当前提取布里渊频移的常用方法是利用标准样品的布里渊信号进行校准，这种方法需要在不同时间采集两幅布里渊光谱图像来提取未知样品的布里渊频移。传统方法假设色散轴遵循直线分布，且布里渊频移计算公式进一步暗示色散率均匀分布，这与实际情况不符，导致测量精度降低。在相机积分时间为亚秒级时，基于VIPA的光谱仪的测量精度甚至低至约100 MHz，远不足以区分组织的机械变化。因此，建立精确的双级正交VIPA色散模型，开发高精度的布里渊频移提取方法，对于推动布里渊显微镜技术在生物组织三维弹性成像中的应用至关重要。
2.创新点
本团队提出了一种基于平面波角谱的二维色散模型，用于双级正交VIPA光谱仪精确测量布里渊频移。利用推导的色散方程，可通过二次和三次函数逼近确定布里渊频移。该模型突破了传统线性色散假设的局限，准确描述了双级正交VIPA光谱仪的色散特性。基于此色散模型，仿真了双级正交VIPA光谱仪的色散行为，开发了稳健、高精度的布里渊频移提取方法。该方法具有瞬时自校准功能，无需标准样品即可确定布里渊频移，显著缩短了测量时间。实验验证表明，在不同的相机积分时间下，该方法对纯水和甲醇样品的布里渊测量具有良好的稳健性和高精度。
3.研究方法
3.1单级VIPA光谱仪原理
图1 单级VIPA系统示意图
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.1)
单级VIPA系统中，准直高斯光束经柱面透镜聚焦成一条线后进入VIPA标准具的入射窗口。在VIPA内部经过多次反射后，不同波长的光束以不同角度从VIPA的后表面射出，通过透镜焦平面实现空间色散。根据坐标系设定，VIPA的色散方向为y轴，光轴平行于z轴。焦平面上干涉图案的强度分布可通过特定公式描述，当相位差满足特定条件时，强度达到最大值，据此可确定色散点的位置。
3.2 双级 VIPA 光谱仪正交色散模型
双级 VIPA 系统中两个VIPA采用交叉轴配置。准直高斯光束经柱面透镜C1在y方向聚焦后进入VIPA1的入射窗口，柱面透镜C2将来自VIPA1的色散光束聚焦到共焦平面，共焦平面上的干涉图案经球面透镜S1传播后，沿x方向聚焦进入VIPA2的入射窗口，在x方向产生色散。在VIPA2后添加另一个球面透镜，可在该球面透镜的焦平面上获得二维空间色散点。通过分析VIPA1和VIPA2的输出，推导得到双级VIPA的色散方程，为后续的仿真和实验提供理论基础。
图2 双级VIPA系统示意图
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.2)
3.3 双级 VIPA 光谱仪正交色散模型
为了验证所提出的色散模型并提取布里渊频移，搭建了共焦布里渊测量系统如图3所示。激光发出的窄线宽光束经扩束器扩束后，通过偏振分束器传输至物镜1并聚焦到样品中。布里渊散射光由同一物镜收集，经偏振分束器反射后，通过单模光纤耦合到布里渊光谱仪中。布里渊光谱仪由两个VIPA和一个位于电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)前的4-f单元组成，两个VIPA具有相同的自由光谱范围(FSR)15 GHz。
图3共焦布里渊测量系统示意图。(a)实验系统，(b)基于VIPA的双级布里渊光谱仪。L1和L2是扩束器，HWP是半波片，PBS是偏振分束器，QWP是四分之一波片，C1和C2是柱面透镜，S1-S4是球面透镜，SF是空间滤波器，LP是透镜对。
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.3)
3.4 双级 VIPA 光谱仪正交色散模型
根据推导的色散方程，利用逆三角函数将衍射角转换为焦平面上的对应坐标，结合设定的仿真参数进行双级VIPA的色散仿真。通过调整激光波长范围，得到不同波长下的色散模拟结果，分析色散点的分布规律。采用二次多项式拟合色散轴位置，利用三次多项式拟合色散点位置与布里渊频移之间的关系，为布里渊频移的精确提取提供方法支撑。
4.主要结果
4.1双级VIPA色散模拟结果
仿真结果显示，在单一入射波长下，双级VIPA光谱仪的色散点呈现特定分布，不同衍射级次的色散点具有明确的位置特征。当调整激光波长在一定范围内变化时，不同波长的色散点连接形成连续曲线，如图4所示。通过二次多项式拟合色散轴位置，拟合曲线的决定系数(R²)达到0.999997；采用三次多项式拟合色散点位置与布里渊频移之间的关系，R²值为0.999998，表明拟合效果极佳。
图4双级VIPA光谱仪的色散模拟。(a)单波长色散模拟。(b)多波长色散模拟。
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.4)
4.2布里渊光谱仪测量结果
利用搭建的共焦布里渊测量系统获取了纯水的布里渊光谱，不同入射角度导致二维光谱弯曲，光谱线在水平方向保持直线，在垂直方向呈现曲率。通过对四个瑞利信号位置进行二次多项式拟合得到色散轴，布里渊信号虽未参与拟合，但均位于这些拟合线上，验证了所提出的双级VIPA色散模型的有效性，如图5所示。
图5水的布里渊谱图。
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.6)
对纯水连续采集250幅布里渊光谱，提取布里渊频移，其平均值为5.0382 GHz，标准偏差为3.0 MHz，直方图线宽为5.7 MHz，表明该方法在获取布里渊频移方面具有高精度性能，如图6所示。
图6 250次水的布里渊频移测量结果。(a)250次重复水测量的时间轨迹。(b)布里渊位移精度直方图。
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.7)
4.3不同实验条件下的测量精度分析
如图7所示,在激光功率保持10 mW的情况下，改变相机积分时间，评估了水和甲醇的布里渊频移测量精度。结果表明，随着积分时间从0.2 s减小到0.04 s，甲醇的标准偏差从1.7 MHz增加到6.3 MHz，直方图线宽从3.9 MHz增加到15.8 MHz；水的标准偏差从3.0 MHz增加到10.4 MHz，直方图线宽从5.7 MHz扩展到17.3MHz。甲醇的线宽和标准偏差均小于水，这归因于其更强的布里渊信号。
与传统线性拟合方法相比，所提出的多项式拟合方法在标准偏差和直方图线宽方面具有显著优势，精度提升了近一个数量级。此外，该方法无需额外的标准样品校准即可实现高精度测量，每个采集帧均包含瑞利信号和布里渊信号，可基于瑞利信号的位置进行布里渊频移校准，实现瞬时自校准，单个布里渊光谱即可提取布里渊频移，缩短了测量时间。
图7水和甲醇中布里频移测量的精度随相机采集时间而变化。(a)多项式拟合方法的标准偏差与采集时间。(b)多项式拟合方法的直方图线宽与采集时间。(c)传统线性拟合方法的标准偏差与采集时间。(d)传统线性拟合方法的直方图线宽与采集时间。。
图源：Optics Express (2025) https://doi.org/10.1364/OE.577309 (Fig.8)
5.总结与展望
本团队提出了双级正交VIPA光谱仪的二维色散模型，基于该模型仿真了不同激光波长和VIPA参数下光谱仪的色散图案，并开发了稳健、高精度的布里渊频移提取方法。实验验证表明，该方法在处理弱布里渊信号时仍能保持优异的测量性能。在激光波长780.24 nm、相机积分时间0.2 s、激光功率10 mW的实验条件下，测量水的布里渊频移的标准偏差为3.0MHz，直方图线宽为5.7MHz。
该色散模型和布里渊频移提取方法既增进了对双级正交VIPA光谱仪的理论理解，又提升了其实用价值。该方法具有高精度、对弱信号的稳健性和时间效率等优点，有望在生物组织机械性能表征及其他相关领域得到广泛应用。未来，将进一步优化系统参数，拓展该方法在复杂生物样品检测中的应用，为生物医学研究提供更强大的技术支持。
6.作者简介
夏能浩，论文第一作者，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士研究生，主要从事生物组织的布里渊散射弹性成像研究。
史久林，论文通讯作者，教授，博士生导师，南昌航空大学期刊社社长，国家高层次青年人才、江西省“双千计划”科技创新高端人才等人选，江西省光学学会理事长、全国大学生光电设计竞赛中部区竞赛委员会主任、江西省一流学科光学工程学科方向带头人、光电子与激光技术国家国防特色学科带头人、光电信息科学与工程国家一流本科专业和江西省高水平教学团队负责人、先进生物光子学成像国际联合实验室（中国-西班牙）主任、光电信息感知技术与仪器江西省重点实验室副主任。主要研究方向：布里渊散射、光学弹性成像技术。近五年，作为项目负责人或执行人承担国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金面上项目等11项，发表论文100余篇，授权国家发明专利13项、美国发明专利3项，主编/参编著作2部，以第一完成人获江西省技术发明一等奖、江西省教学成果一等奖、首届江西省创新争先奖（个人）、江西“青年五四奖章”等奖项荣誉。
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