为加强中国科大精密机械与精密仪器系全球系友的联系与交流，为系友搭建一个交流和合作的平台。2024年9月28日，中国科大精密机械与精密仪器系“系友论坛”第三十八期线上讲座成功举办。本次讲座邀请0009系友冯艳进行“从天文光学到显微成像-波前传感技术在生物成像中的应用”主题报告。本次论坛由系友邵维维主持。
波前传感技术是一种测量和表征光学波前像差的技术。其作为自适应光学系统的重要组成部分，最初被用于实时测量和校正大气层引起的畸变，从而使地面望远镜获得清晰的图像。自上世纪90年代，美国军方将自适应光学的研究资料解密，波前传感技术得以广泛应用于天文和生物医学成像等诸多领域。
本次报告将概述两种新型的波前传感技术及其在生物成像中的应用：1) 冯艳博士与法国国家科学研究中心 (CNRS) 行星科学与天体物理研究所 (IPAG)、法国蔚蓝海岸文台 (OCA) 以及意大利国立天体物理研究所(NAF)合作研发的新一代相位型波前传感器PHASONG (PHase Analyseur de Surface d’Onde de Nouvelle Génération)；2) 冯艳博士的英国博士课题:基于离轴菲涅耳波带片 (off-axis Fresnel zone plate) 的四维 (三维+时间) 多平面宽带成像系统。该技术最初被应用在天文光学领域，原始专利权为英国国防部所有。第一发明人是冯艳博士的英国博士导师、前英国国防部资深专家Alan Greenawav教授。Greenawav教授致于将该技术推广到生物显微成像的应用中，开创了超时间分辨率显微成像技术的先河。
首先系友冯艳先介绍了PHASONG的概念和原理，这是一种先进的表面波相位分析技术，旨在通过精确的相位测量来分析材料表面的微观特性。其原理基于表面波在固体材料中的传播特性，这些波动在传播过程中，其相位受到材料属性、表面状态和环境因素的显著影响。PHASONG的核心技术在于利用高灵敏度的传感器阵列实时监测表面波的相位变化。具体而言，激励源（如压电材料或超声波换能器）生成表面波，并通过设定不同的激励频率和幅度，使得波在材料表面传播。由于材料的弹性模量、密度及内部缺陷等因素会导致表面波相位的微小变化，PHASONG能够精确捕捉到这些变化。数据采集后，通过先进的信号处理算法对相位数据进行分析，通常使用傅里叶变换等技术，将相位变化转化为材料的物理特性，如厚度、弹性模量和表面粗糙度等。这种处理过程不仅提高了测量的准确性，还能实时反馈材料状态，提供即时的分析结果。
然后系友冯艳介绍了PHASONG在生物学领域的应用潜力和研究过程的设计原型。例如，它可以用于细胞生物学中，通过监测细胞表面波的相位变化，研究细胞形态、粘附力及生长状态。这种高精度的表面波分析技术不仅提升了生物研究的准确性，也为新型诊断工具和治疗策略的开发提供了重要支持。
随后系友冯艳介绍了Quadratically Distorted Grating，其是一种通过引入二次畸变来优化光波传播特性的光栅，其原理基于光的衍射和干涉现象。在传统光栅中，光的传播和相位变化主要由均匀的光栅常数决定。然而，在QDG中，光栅的几何结构设计为一个二次函数形式，使得光栅常数在空间上呈现出二次方变化。这种设计允许光波在不同位置经历不同的相位延迟，从而在衍射过程中形成特定的干涉图样。
在显微成像的应用中，QDG的优势尤为明显。显微成像系统的性能往往受到分辨率和对比度的限制，尤其是在处理微弱的荧光信号时。通过在光学系统中引入QDG，可以实现对入射光波的优化调制，从而增强荧光信号并降低背景噪声。在荧光显微成像中，样品的荧光信号通常较弱，容易被背景光干扰。QDG能够通过选择性地增强特定波长的光线，显著提高成像的清晰度和对比度，进而改善图像质量。此外，QDG在多光子显微镜中也显示出其潜力。在多光子成像中，强激发光的均匀性和强度对于图像质量至关重要。QDG通过优化激发光的空间分布和相位特性，可以提高激发光的强度和均匀性，从而提升成像的分辨率并减少样品的光损伤。这种优化特别适合于长时间成像，能够实现对生物样品的细致观察。
报告人介绍：
0009系友冯艳，法国让·莫内大学 (Universit Jean Monnet) 医学院研究员。分别于2004年、2013获得中国科学技术大学机械设计制造及其自动化专业的学士学位、精密仪器及机械专业的博士学位，并于2016年获得英国赫瑞-瓦特大学 (Heriot-Watt University) 物理系光学专业的博士学位。冯艳博士在过去15年里，专注于经典衍射光学理论和波前传感技术的基础研究工作。主要研究方向包括衍射光学元件的原理、设计和应用，波前传感系统的集成、优化和测试以及波前传感技术在天文和生物医学成像或的应月。