科研进展|南昌航空大学史久林教授团队:双角度布里渊成像系统
发表论文：Measurement of refractive index and elastic modulus via orthogonal Brillouin imaging system[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.论文DOI：10.1109/TIM.2026.36596071. 研究背景
粘弹性材料的弹性模量表现出显著的频率依赖性，其力学特性可通过光子-声子散射过程进行分析。布里渊散射基于光子与声子的相互作用，通过测量散射光的频移可获取材料中的声速，进而推算出弹性模量及相关力学参数（如剪切模量、纵向模量）。这些参数被广泛应用于材料表征与生物医学诊断。布里渊显微镜检测纵向与剪切模量的能力高度依赖于散射几何结构。在现有技术中，共焦布里渊显微镜主要用于检测纵向声子；而剪切布里渊显微镜则通过特定角度收集信号，可获取纵向与横向声子信息，结合不同散射几何还可进一步计算材料的折射率。基于虚拟成像相控阵（virtually imaged phased array, VIPA）的剪切布里渊显微镜克服了早期高对比度法布里-珀罗干涉仪检测速度慢的局限，能快速测量光学玻璃的纵向和剪切弹性模量。然而，该方法仍无法实现纵向模量与剪切模量的同步测量。此外，用于折射率检测的双角度方案需使用特殊物镜，且不能同时采集两个不同角度的散射信号；其所采用的光谱仪也无法同步获取双角度下的频移。2. 创新点
本研究提出一种新的双角度布里渊成像系统，通过在共焦布里渊显微镜中集成侧向散射接收器，实现了从90°侧向与180°背向同步采集散射信号；进一步结合双光路偏振分束光谱仪，依据散射光偏振态差异同步解析出剪切模量与纵向模量。该系统兼容多种散射几何（包括90A、90R与90N）结构，可同时获取折射率、纵向与剪切模量。通过对聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯在不同散射配置下的测量实验，验证了该系统一次性完成多参数联合表征的能力。3. 实验系统设计
图1所示为双角度VIPA光谱仪系统，其主要包含以下三项设计：（1）双级双通道VIPA光谱仪：如图1（a）所示，该模块采用三个VIPA标准具构成双通道结构，能够在实现双角度同步检测的同时，有效抑制通道间串扰，并兼顾系统紧凑性与成本控制。（2）偏振分束模块：如图1（b）所示，该模块将散射信号中不同偏振态的光束在垂直方向进行分离，特别保留了与入射光垂直偏振的散射光，用于提取微弱的剪切布里渊信号。（3）单探测器成像模块：如图1（c）所示，该模块将双通道信号耦合至同一EMCCD探测器，不仅避免了多探测器时序同步问题，降低了硬件成本，还可有效分离与入射光同偏振的弹性散射和反射光（垂直偏振），从而显著抑制背景噪声对布里渊信号的干扰。图1 VIPA光谱仪示意图图源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（2026）https://doi.org/10.1109/TIM.2026.3659607 (Fig.2）折射率、纵向模量和剪切模量同时检测的示意图如图2所示。在测量过程中，对于 90N 散射几何结构，样品直接放置在三维位移台上。对于90R 和 90A 散射几何结构，定制了夹具，如图2所示。实验过程中，首先将样品安装在这些夹具上，然后整个组件被放置在三维位移台上。图2 系统实验原理图图源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（2026）https://doi.org/10.1109/TIM.2026.3659607 (Fig.3）4. 主要结果
图3所示为使用本系统测量晶状体纵向模量的实验结果。在400 μm的采样间隔下，采用6.08 mW的较低光功率与50–100 ms的较短积分时间获取光谱数据，进而基于频移、密度与折射率计算出平均纵向模量。结果表明，系统在低功率与短曝光条件下仍具备良好的信号检测灵敏度，为后续检测微弱的剪切信号奠定了基础。图3 离体猪眼晶状体的弹性成像图源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（2026）https://doi.org/10.1109/TIM.2026.3659607 (Fig.7）图4给出了聚苯乙烯在不同散射几何下单次测量的布里渊光谱结果。针对剪切波速度较低的特点，实验采用0.12 GHz/pixel的色散率，激光功率设置为64 mW。图4（a）与（b）展示了相同曝光时间（2 s）下不同散射几何对应的布里渊信号；图4（c）与（d）为相应的光谱分布；图4（e）则进一步比较了不同曝光时间下的光谱变化。具体频移测量结果如下：90A几何中，纵向与横向频移分别为6.18 ± 0.12 GHz和3.07 ± 0.04 GHz；90N几何中分别为10.10 ± 0.12 GHz和5.97 ± 0.09 GHz；90R几何中分别为12.70 ± 0.13 GHz和2.73 ± 0.13 GHz；180R几何中纵向频移为14.16 ± 0.11 GHz。基于90R与180R的纵向频移值，计算得到聚苯乙烯的折射率约为1.60 ± 0.01。进一步，将系统用于测量聚甲基丙烯酸甲酯，得到其在多种散射几何下的纵向模量范围为8.40–8.87 GPa，剪切模量范围为0.37–3.41 GPa，折射率为1.50 ± 0.04。以上结果共同验证了本系统能够同步、准确地检测材料的纵向模量、剪切模量及折射率。图4 聚苯乙烯布里渊光谱的单次测量结果图源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（2026）https://doi.org/10.1109/TIM.2026.3659607 (Fig.8）5. 总结与展望
提出了一种新型正交布里渊散射方法，能够在共焦与剪切配置下同步测量材料的折射率、纵向模量及剪切模量，光谱分辨率约为310 MHz。利用该系统对聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行了实验测量，获得聚苯乙烯折射率为1.60、聚甲基丙烯酸甲酯折射率为1.50，并得到了二者在不同散射几何下纵向模量与剪切模量的数值范围。未来工作将重点拓展系统应用范围。通过采用更小自由光谱范围（FSR）的VIPA，可提升光谱精度，使之适用于软组织等弱信号材料的测量。进一步提高消光比与FSR有助于更准确获取材料力学性能。此外，该系统还可与高精度多角度三维位移装置集成，实现对材料完整弹性张量与力学各向异性的系统表征。6. 作者简介
许锦，论文第一作者，北京航空航天大学博士，现为江苏海洋大学讲师，主要从事生物组织的布里渊散射弹性成像技术研究。史久林，论文通信作者，博士，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。何兴道，博士，二级教授，博士生导师，国家重点研发项目首席科学家，国务院政府特贴享受者，江西省新世纪百千万人才工程第一、二层次人选，江西省“赣鄱555”创新领军人才，南昌航空大学“光学工程”专业责任教授、学科带头人。主要研究方向：布里渊散射、光学层析弹性成像技术。兼任北京航空航天大学、南昌大学博士生导师，教育部光电信息科学与工程专业教学指导委员会委员、中国光学工程学会常务理事、中国光学学会理事，中国光学学会环境光学委员会、光学教育专业委员会、光学全息专业委员会常务委员。主持了包括国家重点研发项目、国家自然科学基金项目在内的国家及省（部）级研究项目20 余项，获江西省自然科学一等奖1项、江西省教学成果一等奖1项、江西省技术发明一等奖1项、中国产学研创新成果奖1项。
