| 編者按 |

自適應光學（Adaptive optics, AO）是補償由大氣湍流或其他因素造成的成像過程中波前畸變的技術。這一技術最早由天文學家提出，旨在觀察遙遠星空時用于矯正大氣層引入的光學相差。如今，該技術已開始廣泛應用于光學和光子學的各個領域。

本期Light人物，我們榮幸的邀請到英國牛津大學的Martin Booth教授，他是最早將自適應光學技術引入光學顯微鏡研究的科學家之一，他帶領他的科研團隊一直在不停探索，致力于將這種技術應用于生物、材料科學等諸多領域。藉由本次采訪，希望我們的讀者可以從他的靈感，激情和奉獻中汲取養分。

Martin Booth教授一直致力于打破自適應光學的應用障礙，使它得到更廣泛的應用。作為少數見證了自適應光學在不同領域發展的學者，Martin Booth教授為我們介紹了自適應光學應用于不同領域的主要區別，現有挑戰以及未來發展。他談及了自適應光學如何造福新興領域，以及在此過程中所面臨的關鍵挑戰。此外，Martin Booth教授還分享了多年來在各類教育和科研組織中擔任不同角色，積極參與各種活動的經驗體會，為年輕科學家提供了諸多在科研道路上取得成功的秘訣。

Martin Booth, 牛津大學工程系，教授、博士生導師，牛津大學工程系常務副主任。Martin Booth在自適應光學領域享有國際盛譽, 主要從事有源和自適應光學器件的應用研究。研究內容包括自適應光學在顯微學中的應用；用于生物醫學成像和材料表征的高分辨率和超分辨率顯微鏡，包括STORM，STED和SIM；光子器件開發的光學微加工和制造等。在 Nature Photonics、Cell、Nature Communications、Light: Science & Applications、Optica等期刊發表論文百余篇，SCI引用超過10000次。曾獲光學技術年輕研究員獎，EPSRC高級研究員獎，International Commission for Optics Prize等多項獎項，埃爾蘭根-紐倫堡大學高級光學技術學院客座教授；OSA、SPIE、IOP等國際組織的會士，英國皇家工程院會士。任 Light: Science & Applications（Nature）、International Journal of optmechatronic Technologies編委。

采訪嘉賓：Martin Booth（牛津大學）

采訪人：崔佳賀、何超、常唯

原文信息：Cui, J., He, C. & Chang, W. Light People: Professor Martin Booth spoke about adaptive optics and its applications. Light Sci Appl 11, 305 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01001-5

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Q：自適應光學技術可以說非常強大，從天文望遠鏡到超分辨顯微鏡，它在許多研究領域都得到了應用。您可以為我們講講自適應光學在不同領域應用的側重點，以及它們是如何繼承和發展的嗎？

A：自適應光學的發展最早成名于對天文望遠鏡的貢獻，此后才逐漸轉移到眼科學和顯微學應用中。它們的主要區別在于應用的規模。天文研究中，經常會有一大筆經費去為某臺大型天文望遠鏡搭建獨有的自適應光學系統。但是在其他領域，我們的目標是用更少的經費搭建可以被多次復現的系統。這意味著即便我們可以從某個領域得到靈感，應用到另一個領域時，實際的解決方案往往也會相差甚遠。

圖1：Martin Booth教授與Yifei Ma在實驗室中討論問題

圖2：Martin Booth教授在Light Conference 2018上致辭

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Q：您的團隊一直在不斷探索有探測器和無探測器領域中的自適應光學新技術。您可以談談他們的主要區別，以及實際應用時的關鍵考量嗎？

A：我們在顯微領域的主要工作目標是為更多可以從自適應光學中獲益的顯微鏡模態提供解決方案。從這點考慮，無探測器自適應光學的硬件要求更低，它可以應用在難以安裝波前探測器的系統中，因而應用更加廣泛。這種技術在未來的挑戰主要在于如何實現實際操作的規范化和常規化，使之更易轉化，從而應用于不同的顯微鏡模態。

圖3：Martin Booth教授與他的圖書珍藏

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Q：作為自適應光學在顯微領域應用的先驅之一，您認為自適應光學當下面臨著哪些挑戰？它的未來發展又會有怎樣的趨勢？

A：自適應光學對顯微領域的貢獻已經在實驗室中無數次被印證，當前面臨的主要挑戰是如何將這項技術應用到實際中。最終，自適應光學應該嵌入到各種系統中，并可以在無人干預的情況下無縫工作。這需要器件尺寸和成本的大幅下降，同時軟件和控制系統也需要進一步發展，以保障自動化操作的安全可靠。

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Q：您一直對自適應光學在激光加工方面的應用抱有高度熱情，并于近期在Light: Science & Applications (LSA) 上發表了文章 [On-chip beam rotators, polarizers, and adiabatic mode converters through low-loss waveguides with variable cross-sections] 。您可以為我們談一談自適應光學在這一領域的重要性及其未來前景嗎？

A：近幾年，我們在自適應光學應用于三維高精度微米加工方面取得了諸多進展。很多領域都需要將光在透明材料中精準聚焦，而相差矯正對于克服材料表面折射帶來的焦點彌散和精度下降等影響至關重要。最近我們在結構波導研究中取得了一系列成果，這些成果可應用于許多領域，如在量子光學領域實現波導電路。

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Q：我們知道，您的團隊正嘗試將自適應光學應用于一些新領域，如醫學診療中的無標記顯微鏡/微內窺鏡成像。自適應光學可以為這些領域帶來哪些潛在效益呢？您可以和我們分享一些寶貴的經驗嗎？

A：自適應光學的主要優點在于提高系統信息采集的分辨率和信噪比。醫學診療中對亞細胞結構的捕捉可以為識別新的病理標記物帶來更多可能性。信噪比的提高更為加快圖像采集速度奠定了基礎，使得實時跟蹤在很多醫學場景下從不可能變為了可能。

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Q：自適應光學專注于對相位的調制。然而很多光學系統，特別是超分辨顯微鏡中，偏振像差的作用更加明顯。錯誤的偏振態會擾亂光在焦點處的干涉，從而降低圖像分辨率。您對偏振像差的自適應矯正發展有哪些看法？它會面臨哪些挑戰？

A：偏振和相位的共同調制，也就是矢量自適應光學，是自適應光學研究中的新興方向。多維度的調制會比單一相位調制更具挑戰性。與此同時，不同維度之間存在一定程度耦合。例如，我們無法在不考慮相位調制的情況下單獨矯正偏振態。這意味著我們需要新的方法來探測矢量信息，生成完備的矢量模態，并發掘新的像差矯正算法。

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Q：您最近發表了一篇高影響力的綜述文章 [Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review] 。在您看來，自適應光學可以為偏振技術在生物醫學方面的應用解決哪些關鍵問題？您可以談一談它的潛在影響嗎？

A：偏振技術為生物醫學研究帶來了諸多新的可能，特別是提供無標記對比。將這一技術和自適應光學相結合可以加速它在三維樣品中的應用。另外，利用變形器件我們可以簡化偏振顯微鏡的構造，使得它更便于投入實際應用。

圖4：Martin Booth教授在Light Conference 2019上主持 ‘2019 Rising Stars of Light’ 決賽

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Q：我們看到您和您的團隊創建了一個自適應光學教程網站，以便推進自適應光學技術的廣泛應用，特別是為那些剛剛接觸自適應光學的人提供幫助。您可以為我們講講這一網站的重點，以及內容安排是如何為初學者考量的嗎？您對這一網站有哪些未來設想？

A：使用自適應光學的主要障礙并非在技術層面，而在于實際操作。以往將自適應光學融合到其他技術中成本很高。我們覺得可以將我們團隊以往的經驗分享出來，通過提供教程的方式幫助其他科研人員掃除障礙，推進這一技術的廣泛應用。與此同時，我們也開始為想要使用自適應光學的人提供咨詢和技術支持服務。希望這一服務可以為他們節省更多的時間和金錢成本。

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Q：作為Optica（原OSA，美國光學學會）、SPIE（國際光學工程學會）、IOP（英國物理學會）和其他重要學協會的會員，您能否與我們分享一些在此類學協會工作的經驗？

A：這些專業的學協會在光學和光子學領域的交流中發揮著重要作用。我從博士階段起就一直是這些學協會的成員，他們通過舉辦學術會議，社交活動等方式，提供了許多與同行互動的機會。我鼓勵學生們多多參加這些組織，這將有助于他們事業的發展。

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Q：作為LSA的編委，您見證了它的誕生、成長和發展。最近，它的姊妹刊Light: Advanced Manufacturing和eLight相繼創刊，也發表了一些非常出色的工作。您對他們未來的發展有什么看法和建議？

A：我認為，對于科研人員來說，有知名期刊根據文章的質量和對該領域的重要性來選擇文章，而不是依據其他標準，這一點非常重要。我相信LSA始終遵循這一原則，這也使它得到了領域內科研人員的尊重。我相信LSA和它的姊妹刊未來將繼續遵循這一標準為光學和光子學領域的科研人員提供優質高效的服務。

圖5：曹健林主編為Martin Booth教授頒發 Light: Science & Applications編委聘書

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Q：據我們所知，除了顯微學之外，您在物理學、生物醫學等領域也有出色的成果。您認為自己是工程師、物理學家還是數學家？

A：我一直認為自己是一名工程師，我們的工作是創造解決實際技術問題的方案。然而，為了做到這一點，我們不得不涉足從光學基本理論到商業化應用的各個方面。因此，我們的研究團隊不但擁有工程、物理和數學方面的專業知識，還擁有許多其他相關的技能。

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Q：您一直是一位負責任的科學家和一位敬業的教育家。您認為向不同的受眾傳遞科學知識有什么區別？在不同場合中，您一般會采取何種方法來達到最佳效果？

A：我認為至關重要的一點是要記住聽眾/觀眾和讀者才是最重要的人。我們應該努力找到他們對主題理解的切入點，并確保我們從這個點開始構建我們的故事。另外，同樣重要的一點是，我們要清楚我們想向聽眾傳達的是什么，如果無法在展示的過程中突出核心信息，我們很難確保受眾得到了他們真正需要的東西。

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Q：您有一個龐大的學生和博士后團隊。在面試時，您更看重什么樣的素質和能力？

A：我認為最重要的是擁有快速學習并主動解決問題的能力。技術方面的能力和經驗可以通過閱讀和實踐來獲取，因此能夠有效地閱讀和實踐很重要。當然，更重要的是能夠創新的應用這些知識。我認為這對科研人員來說是最重要的技能。

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Q：您一直鼓勵年輕的研究人員站在科學研究的前沿，去追求他們所熱愛的，去成就一番出色的事業。您對年輕的科研人員有什么建議？

A：年輕的科研人員很容易過度規劃自己的職業發展。當然，規劃未來并思考如何一步步實現很重要。但有時候可能會過多的糾結于細枝末節，而忽略了最重要的事情——開展高質量的研究。通常一些意想不到的結果會帶來最有趣和最有價值的項目，有時最重要的文章往往來自于計劃之外的研究。如果受限于傳統，世界將錯失許多年輕科研人員的有價值的研究成果，這將是一種損失。

圖6：2018 Light Conference，Martin Booth教授和仇旻教授在茶歇期間交流。

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Q：站在科學研究的前沿是非常具有挑戰性的。您能否與青年科研人員分享您是如何平衡生活和工作的呢？

A：這對于各行各業來說均是一個挑戰。科研是一個具有創造性的過程。它需要努力工作，但也需要豐富的想象力。最好的想法往往在不關注細節的時候出現。因此離開實驗室或辦公室是很重要的，偶爾換個環境會大有助益。

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Q：您作為一名成功的科研工作者，有沒有人對您的職業生涯產生過重大影響？是以什么方式呢？

A：許多人對我幫助很大，難以用一兩個名字來概括。與許多優秀人士的合作使我受益匪淺，這里面有剛剛入學的本科生，也有一些年長的優秀同事。現在回想起來——我在離開學校很久后才意識到這一點——我很早就受到了高中英國文學老師的影響。他的課程很有趣，討論的話題很廣，但似乎很少涉及到英國文學。我現在意識到他真正教給我們的是批判性思維以及如何挑戰一些固有的觀念。這些技能不能算作某一門特定的學科，但是它們在科學研究中是至關重要的。

| Light特邀通訊員 |

崔佳賀，英國牛津大學工程系博士后研究員，Pembroke學院特別研究員。2018年本科畢業于北京理工大學光電學院，2022年博士畢業于牛津大學工程系。主要研究方向包括自適應光學應用，醫學診療成像，視網膜成像，視覺感知。在國際高水平SCI期刊上發表論文十余篇，美國光學學會（Optica）會員，擔任 Light: Science & Applications, Small, Photonics Research, Optics Letters, Optics Communications, Chinese Optics Letters等國際高水平期刊審稿人，累計審稿十余次。

何超，牛津大學圣約翰學院（St John’s College）青年研究員、博士生導師。博士兩年畢業于牛津大學工程系，現以首席研究員（Principal Investigator, PI）主持兩項研究課題。主要從事光子學與偏振光學領域中矢量光場調制、矢量自適應光學、矢量成像等相關方向的研究。迄今以第一作者兼通訊作者在 Nature Communications, Light: Science & Applications, Optica, Advanced Photonics等國際期刊上發表學術論文若干篇。曾擔任 Nature Photonics, Light: Science & Applications,  Optica等國際期刊審稿人。

| Light科學編輯 |

常唯， Light：Science & Applications主編助理。協助項目負責人成功申報卓越行動計劃領軍期刊，中國科技期刊國際影響力提升項目A類、C類項目，國家自然科學基金應急管理項目等。作為第一作者和通訊作者在《中國科技期刊研究》等刊物發表學術論文十余篇。2013年獲中國科學院文獻情報和期刊出版領域引進優秀人才計劃擇優支持。先后榮獲中國科技期刊卓越行動計劃優秀編輯（2021）、中國科學院長春分院 “巾幗建功” 先進個人（2020）、長春光機所首屆先進個人（2018）等榮譽。

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