山東師范大學(xué)蔡陽(yáng)健教授團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合新型刺球狀Ta?O?/Ag納米復(fù)合結(jié)構(gòu)隨機(jī)激光光源與深度學(xué)習(xí)圖像重建技術(shù)的高分辨率水下成像方法。該方法利用Ta?O?/Ag納米顆粒（TOAC）構(gòu)建低閾值、高Q值的隨機(jī)激光器，其獨(dú)特的多重散射結(jié)構(gòu)與局域表面等離激元共振效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)光反饋，顯著降低激光閾值并提升輸出穩(wěn)定性；同時(shí)，由于隨機(jī)激光具有較低的空間相干性，可有效抑制傳統(tǒng)激光成像中嚴(yán)重的散斑噪聲。在此基礎(chǔ)上，文章進(jìn)一步引入Real-ESRGAN深度學(xué)習(xí)模型，對(duì)在高渾濁水體中獲取的退化圖像進(jìn)行超分辨率重建與去噪增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在1 wt.%渾濁度下仍能清晰分辨USAF 1951分辨率板的細(xì)線組，并成功實(shí)現(xiàn)草履蟲(chóng)等生物樣本的高質(zhì)量成像，結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）提升至0.8532，信噪比提高超過(guò)2倍。該研究為復(fù)雜散射環(huán)境下的無(wú)散斑、高保真水下光學(xué)成像提供了一種融合先進(jìn)光子材料與人工智能的新范式。

近日，山東師范大學(xué)物理與光電學(xué)院蔡陽(yáng)健教授團(tuán)隊(duì)在《Laser & Photonics Reviews》發(fā)表了題為“Deep Learning-Enhanced Underwater Imaging Using Random Lasers Based on Burr-Like Ta?O?/Ag NPs”的研究論文。研究人員分析了刺球狀Ta?O?/Ag納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（TOAC）在隨機(jī)激光產(chǎn)生中的多重散射與局域表面等離激元共振協(xié)同機(jī)制，并研究了將該低相干性隨機(jī)激光作為照明光源結(jié)合Real-ESRGAN深度學(xué)習(xí)模型用于渾濁水體成像的可行性，顯著提高了水下成像的信噪比、分辨率與結(jié)構(gòu)保真度，有效抑制了傳統(tǒng)激光成像中的散斑噪聲。博士生徐李海良為論文第一作者，青年教師萬(wàn)園博士為論文通訊作者，共同通訊作者還包括修顯武教授，蔡陽(yáng)健教授。

研究背景：

水下光學(xué)成像在海洋探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物觀測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，但水體中懸浮顆粒引起的強(qiáng)光散射會(huì)導(dǎo)致圖像模糊、細(xì)節(jié)丟失，并因傳統(tǒng)相干光源（如激光）產(chǎn)生嚴(yán)重散斑噪聲，極大限制了成像質(zhì)量。盡管已有多種水下成像技術(shù)被提出，但在高渾濁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高分辨率、低噪聲、無(wú)散斑的實(shí)時(shí)成像仍具挑戰(zhàn)。為此，亟需開(kāi)發(fā)兼具低空間相干性、高亮度和良好穩(wěn)定性的新型照明光源，并結(jié)合先進(jìn)圖像處理手段以突破散射介質(zhì)對(duì)光學(xué)成像的限制。

研究?jī)?nèi)容：

該文章的研究?jī)?nèi)容聚焦于開(kāi)發(fā)一種融合新型納米光子材料與人工智能技術(shù)的高性能水下成像系統(tǒng)。研究人員設(shè)計(jì)并制備了一種具有刺球狀形貌的Ta?O?/Ag納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（TOAC），將其作為增散射介質(zhì)與等離激元增強(qiáng)單元，構(gòu)建出低閾值（0.42 mJ/cm2）、高Q值（1225.69）的隨機(jī)激光光源；該光源憑借極低的空間相干性，可天然抑制水下成像中的散斑噪聲。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將該隨機(jī)激光用于渾濁水體（含0.1–1 wt.%硅藻土）中的目標(biāo)照明，并引入Real-ESRGAN深度學(xué)習(xí)模型對(duì)退化圖像進(jìn)行超分辨率重建與去噪處理。

亮點(diǎn)：

1）首次將刺球狀Ta?O?與Ag納米粒子復(fù)合用于隨機(jī)激光，通過(guò)“多重散射+局域場(chǎng)增強(qiáng)”協(xié)同機(jī)制顯著提升激光性能；

2）利用隨機(jī)激光的低相干特性，從根本上避免傳統(tǒng)激光成像的散斑問(wèn)題；

3）首次將Real-ESRGAN應(yīng)用于隨機(jī)激光水下圖像重建，在1 wt.%高渾濁度下仍實(shí)現(xiàn)SSIM達(dá)0.8532、SNR提升超2倍的高質(zhì)量成像；

4)成功對(duì)USAF分辨率板和活體草履蟲(chóng)進(jìn)行清晰成像，驗(yàn)證了該方法在真實(shí)復(fù)雜水環(huán)境中的可行性與優(yōu)越性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖1(a) TOAC 納米顆粒的制備工藝示意圖。(b) Ta?O?納米顆粒的SEM圖像。(c) TOAC 納米顆粒的SEM圖像。

圖2 (a) 隨機(jī)激光成像裝置示意圖。(b) 深度學(xué)習(xí)模型示意圖。

圖3 不同隨機(jī)激光器的發(fā)射特性。

圖4 基于 TOAC 納米顆粒的隨機(jī)激光增強(qiáng)機(jī)制分析。

圖4系統(tǒng)闡釋了基于刺球狀Ta?O?/Ag納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（TOAC）的隨機(jī)激光性能增強(qiáng)機(jī)制。通過(guò)有限時(shí)域差分（FDTD）電磁仿真，研究團(tuán)隊(duì)揭示了TOAC中“多重散射”與“局域表面等離激元共振”（LSPR）的協(xié)同作用：刺球狀Ta?O?的微納尖刺結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了光子在介質(zhì)中的多次散射，有效縮短光子平均自由程并延長(zhǎng)其在增益區(qū)域的停留時(shí)間；同時(shí)，負(fù)載的Ag納米粒子在泵浦光激發(fā)下產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域電磁場(chǎng)“熱點(diǎn)”，大幅提升附近染料分子（DCM）的受激發(fā)射效率。二者共同構(gòu)建了一個(gè)高效、無(wú)腔的光反饋網(wǎng)絡(luò)，為低閾值、高Q值隨機(jī)激光的產(chǎn)生提供了物理基礎(chǔ)。

圖5隨機(jī)激光分辨率卡成像結(jié)果和經(jīng)Real-ESRGAN重建后的圖像對(duì)比展示。

圖6隨機(jī)激光草履蟲(chóng)細(xì)胞成像結(jié)果和經(jīng)Real-ESRGAN重建后的圖像對(duì)比展示。

圖5和圖6展示了該研究中基于TOAC隨機(jī)激光與深度學(xué)習(xí)融合的水下成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5主要呈現(xiàn)在不同渾濁度水體（0.1 wt.% 和 1 wt.% 硅藻土），對(duì)比傳統(tǒng)光源（如鹵素?zé)?、HeNe激光）與TOAC隨機(jī)激光所獲取的原始圖像及經(jīng)Real-ESRGAN重建后的效果。結(jié)果顯示，隨機(jī)激光本身已顯著抑制散斑，而結(jié)合深度學(xué)習(xí)后，圖像細(xì)節(jié)（如USAF分辨率板的細(xì)線組）清晰恢復(fù)，信噪比（SNR）和結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）大幅提升。

圖6則聚焦于生物樣本的實(shí)際成像應(yīng)用，以活體草履蟲(chóng)為對(duì)象，在高渾濁環(huán)境中驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性。未經(jīng)處理的隨機(jī)激光圖像已能分辨細(xì)胞輪廓，而經(jīng)Real-ESRGAN增強(qiáng)后，纖毛、細(xì)胞核等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，SSIM高達(dá)0.8532，遠(yuǎn)優(yōu)于其他照明方式。兩圖共同證明：該方法在強(qiáng)散射條件下兼具無(wú)散斑、高分辨率與高保真的成像能力，為復(fù)雜水下場(chǎng)景的光學(xué)觀測(cè)提供了有效解決方案。

總結(jié)：

該文章提出了一種融合刺球狀納米復(fù)合結(jié)構(gòu)隨機(jī)激光與深度學(xué)習(xí)的高性能水下成像方法。研究人員通過(guò)材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低閾值、高Q值的無(wú)散斑隨機(jī)激光光源，并結(jié)合Real-ESRGAN模型對(duì)渾濁水體中的退化圖像進(jìn)行超分辨率重建。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在高散射環(huán)境下顯著提升了成像的信噪比、分辨率和結(jié)構(gòu)保真度，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)分辨率板和活體生物樣本的清晰成像。該工作為復(fù)雜散射介質(zhì)中的高質(zhì)量光學(xué)成像提供了“先進(jìn)光子材料+人工智能”協(xié)同的新范式。

該研究獲得了以下資助支持：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFA1404800)

國(guó)家自然科學(xué)基金（12474332, 12192254, 92250304, W2441005）

山東省自然科學(xué)基金（R2024QA064, ZR2020MA072, ZR2023YQ006）

山東省泰山學(xué)者基金會(huì)（tsqn202312163）

文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202501946

作者信息：

徐李海良：山東師范大學(xué)物理與光電學(xué)院在讀博士生，研究方向?yàn)椋盒滦凸鈭?chǎng)器件調(diào)控，深度學(xué)習(xí)輔助隨機(jī)激光應(yīng)用，隨機(jī)激光復(fù)雜環(huán)境成像。在Laser Photonics Reviews、Applied Physics Letters、Optics Express、Optics & Laser Technology等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)篇。曾獲中國(guó)機(jī)器人及人工智能大賽二等獎(jiǎng)、"華為杯"中國(guó)研究生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽三等獎(jiǎng)、山東省光電設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)，優(yōu)秀研究生等榮譽(yù)。

萬(wàn)園：2020年3月畢業(yè)于北京理工大學(xué)物理學(xué)院，獲理學(xué)博士學(xué)位。山東師范大學(xué)物理與光電學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，山東師范大學(xué)東岳學(xué)者青年人才。長(zhǎng)期從事新型光場(chǎng)器件，新型光場(chǎng)調(diào)控以及光學(xué)成像方面的研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，山東省自然科學(xué)基金1項(xiàng)，在Laser Photonics Reviews、Nanophotonics、Journal of Lightwave Technology、APL photonics、Applied Physics Letters等國(guó)際知名期刊上發(fā)表SCI收錄論文30余篇。

蔡陽(yáng)健：男，1977年出生，山東師范大學(xué)副校長(zhǎng)、教授、博導(dǎo)，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、全國(guó)百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者、德國(guó)洪堡基金獲得者。長(zhǎng)期從事光場(chǎng)調(diào)控研究，在光場(chǎng)相干性/相干結(jié)構(gòu)調(diào)控及應(yīng)用方面取得了系統(tǒng)性成果，在Nature Physics、Physical Review Letters等國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表二區(qū)及以上論文400余篇。入選“2010年江蘇省十大青年科技之星”，連續(xù)多年入選Elsevier發(fā)布的“中國(guó)高被引用學(xué)者榜單”及美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。主持國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題等項(xiàng)目。擔(dān)任Light Manipulation and Applications 創(chuàng)刊主編、《光學(xué)學(xué)報(bào)》副主編、PhotoniX資深編輯、Advanced Photonics Nexus編委、Progress in Optics編委、全國(guó)光學(xué)青年學(xué)術(shù)論壇主席團(tuán)成員、山東省光學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、山東省物理學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。