《Journal of Lightwave Technology》于2025年4月15日发表了来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院范荣华、李丽晶等团队的研究论文《Anti-Perturbation High-Resolution Compressive Imaging Through Flexible Fibers via Random-Phased Fiber Plates》。该研究针对多模光纤（MMF）成像技术在实际应用中面临的扰动敏感性问题，提出了一种基于随机相位光纤板（random-phased fiber plates）的新型抗扰动高分辨率压缩成像方案。

学术背景

多模光纤成像技术因其高分辨率和微创特性，在活体脑成像、早期癌症检测等领域具有重要应用潜力。然而，传统MMF成像存在固有缺陷：模态色散和模式耦合导致其对外部扰动（如弯曲、振动）极度敏感，严重影响成像质量。尽管已有主动重校准、被动屏蔽等方法试图解决该问题，但在长距离强扰动场景下仍存在效率低、兼容性差等局限。本研究创新性地提出通过级联短多模光纤（CSMMF）构建随机相位光纤板，结合单模多芯光纤（MCF）实现混合位置-波长调制，最终开发出兼具高分辨率、高抗扰性和微型化特点的MCF-CSMMF探针。

研究方法与流程

1. MCF-CSMMF探针设计与制备

研究团队采用核心直径300μm的多模光纤，通过自制光纤研磨机在砂纸（60μm粒度）上加工出粗糙端面，形成随机相位调制层。将6个长度约6.3mm的随机相位光纤板轴向级联，使用折射率1.3675的光纤胶粘合构成CSMMF结构。该设计通过分解为两个随机相位平面和中间MMF段的理论模型（图2）表明：粗糙端面使入射高斯光场快速转变为散斑，激发更多高阶本征模，从而提高输出散斑图案的空间分辨率。

2. 混合调制策略开发

采用19芯单模MCF（芯径8.5μm，串扰<-40dB）连接CSMMF，建立混合位置-波长调制系统（图1c）。具体流程包括： - 位置调制：通过三维位移台将可调谐激光（1480-1640nm）依次注入MCF不同纤芯 - 波长调制：每个纤芯内进行1nm间隔的波长扫描 - 校准阶段：红外相机（First Light, CRED-2 Lite）记录散斑图案与入射参数的对应关系 - 成像阶段：单像素探测器（Thorlabs PDA50B2）采集物体反射光强，通过压缩感知算法重建图像

3. 抗扰动性能验证

对探针施加正弦弯曲、发夹弯折、扭转等机械变形（图8a），测量输出散斑图案的相关系数。时间稳定性测试通过每5分钟采集散斑图案，计算与初始状态的相关系数偏差。

关键结果与发现

1. 空间分辨率提升：CSMMF产生的散斑平均尺寸为5.93像素，较传统MMF在中心入射时的24.03像素提升4倍以上（图4a）。半物理仿真显示，在5%采样率下，CSMMF重建图像的结构相似度（SSIM）>0.77，信噪比（SNR）>4.81dB（图6）。

2. 低相关性验证：波长调制时（1nm间隔），CSMMF散斑相关系数降至0.8363（MMF为0.9928）；位置调制时（10μm间隔），相关系数从0.4666降至0.2979（图4c,e）。混合调制策略使可用散斑图案数量达核心数与波长数的乘积。

3. 抗扰动性能：探针在各类变形下散斑图案相关系数≥0.9823，时间稳定性测试显示平均相关系数0.9949，最大偏差仅0.0235（图8b）。

创新价值与应用前景

本研究通过三大创新突破现有技术瓶颈： 1. 随机相位光纤板：通过粗糙端面设计实现光场快速扰频，在毫米级长度内获得高空间分辨率散斑 2. 混合调制策略：结合MCF的位置调制与波长调制，显著提升可用散斑图案数量 3. 全光纤紧凑设计：传输率>40%，直径<300μm，适用于内窥镜等微型化场景

实验证明，该技术可实现在5%低采样率下的高质量成像（图7），为脑深部成像、早期肿瘤检测等需要高抗扰动性的临床应用提供了可行解决方案。未来通过飞秒激光加工优化随机结构、采用百芯级MCF等措施，可进一步提升成像分辨率和适用范围。

研究亮点

1. 方法创新性：首次提出级联随机相位光纤板结构，理论证明其能同时增强散斑分辨率和降低相关性
2. 技术整合：创造性结合单模MCF的稳定传输特性和CSMMF的高灵敏度调制特性
3. 工程实用性：手工制备的探针原型已显示出优于精密加工MMF的性能，证实方案的鲁棒性和可扩展性

附录研究（图9）进一步揭示了端面粗糙度（60μm粒度时最佳）和光纤板数量（4层时相关系数降低36%）对性能的影响规律，为后续优化提供明确方向。这项研究为单多模光纤成像技术走向实际应用奠定了重要基础。