The Innovation | 波前整形技术助力光学领域克服散射困扰

导 读

光学散射是普遍的物理现象。如何实现散射光的聚焦和控制极富挑战性，已成为当前光学领域（尤其是生物光子学领域）的研究热点。本文总结了光学波前整形技术近十五年来的发展及其在诸多领域的应用尝试。虽然尚有诸多问题和挑战，这些问题有望在不远的将来得以解决，新的研究进展不断涌现，新理念和新机遇让人期待。

图1 （左）未经过波前整形的光束通过散射介质后变得杂乱无序，形成随机散斑光场；（右）借助波前整形技术，我们可以控制散射介质后的光场分布，比如在特定位置实现光学聚焦

光被非平滑界面反射或穿透不均匀介质由于介质光折射因子空间分布不均匀遭遇散射现象，且散射的影响随着介质的不规则程度或者复杂程度以及穿透深度的增强而愈发加剧。在该作用下，光的传播方向变得随机且所携带的有效信息也被扰乱，这一现象给光学的应用带来了诸多限制。例如，大雾天气时由于雾里面随机分布的固体颗粒对光的散射导致能见度很低；光在生物组织里被高度散射，高分辨率的光学技术在生物组织里的有效穿透深度通常被局限在1 mm以内，即使在当前最精密透镜系统的加持下，光穿过一定厚度的生物组织后依然无法聚焦。

光散射是由于光在介质中传播路径的复杂性和时空不均匀性所导致的，如何实现散射光的控制及其应用，是人们期盼已久但极富挑战性的目标。2007年，荷兰科学家Allard Mosk团队提出光学波前整形（optical wavefront shaping）的概念，使用一块空间光调制器结合遗传算法，并选取来自于散射介质后某一平面中任一区域的光强为目标函数，进而迭代地提升这一区域的强度，首次实现了光在透过散射介质后重新聚焦。这一工作开创性地揭开了散射光场波前整形的序幕，自此国内外众多学者相继开展了大量研究工作并取得了可喜进展。

光学波前整形技术的原理如图1所示。经过波前整形的光束穿透散射介质后可重新聚焦在某一个目标区域，作为对照，没有经过波前整形的光束穿透散射介质后形成强度随机分布的散斑图案。实现波前整形的方法通常可分为三类：迭代优化、传输矩阵、光学相位共轭。在迭代优化方法中，人们使用智能优化算法（比如continuous sequential algorithm, CSA）以输出端某一处的参数（强度，波长等）作为目标函数进行迭代优化，通过搜索得到最优的入射波前相位补偿从而在目标位置形成聚焦，如图2第一行所示；在传输矩阵（transmission matrix, TM）方法中，通过将一组特定编码（如哈达玛基）修饰的光束入射到散射介质，测量并记录对应的输出光场，建立输入和输出光场的对应关系，可通过该关系求解得到任意输出光场所需的入射光调控方案，比如实现图2第二行所示的聚焦点扫描；在光学相位共轭方法中，穿透散射介质的散射光将会被记录，其对应的共轭光场重新入射回散射介质，在光初始入射处实现波前调制的目的。

图2 波前整形的动态过程。第一行是利用CSA迭代算法实现对散射光的聚焦；第二行是利用传输矩阵方法，汇聚散射光后实现焦点的空间扫描

本综述回顾近十五年波前整形技术的发展及其在多个交叉学科的应用。比如，上文说到在光学分辨率成像系统中，生物组织穿透成像深度通常被局限于1 mm以内。这是由于光在这一深度已经被高度散射，无法实现有效聚焦。波前整形技术可以很好地解决这一难题：在生物组织内部引入引导星（guide star），例如实体的微小颗粒或者虚拟的光声、超声调制等，通过收集引导星处反馈的信号作为目标函数即可实现引导星处的强光学聚焦。

随着研究的深入，波前整形技术不仅能补偿散射而且能通过控制散射将散射介质设计为特定的光学器件，例如偏振玻片、分束器、三维显示器件以及光学计算元器件等。本文最后重点介绍了波前整形技术结合多模光纤的应用。光在多模光纤内传播时，多模光纤内部模式之间的耦合导致输出端的光强和相位的随机分布，使得多模光纤不适宜用于传输有序的空间信息。利用波前整形技术不仅可以调控多模光纤输出光场的偏振和相位分布，也可以调控多模光纤内部光的非线性效应，如受激拉曼散射、四波混频等物理现象。此外，通过波前整形技术可以在多模光纤输出光场实现光学聚焦及其扫描。得益于多模光纤的小尺寸（直径通常小于125 μm），这一技术使得多模光纤有望被用于一系列极具前景的生物医学场景，如微侵入式的大深度高分辨率光学成像、刺激、控制等。

总结与展望

光学波前整形技术目前已被广泛应用于众多研究领域并打破了诸多传统技术壁垒。如实现深穿透高分辨率的微创生物组织成像和操控，且未来技术和硬件设备的更新有望使其在活体生物光子学中发挥巨大作用。另一方面，相比于传统器件，利用波前整形技术将散射介质定制成特定的光学元器件，具有制作工艺要求低、多功能化、可重复编程以及高空间-带宽积等优点，有望拓宽相关领域（如三维动态显示等）的应用和发展。此外，在波前整形赋能下，多模光纤作为光学通道有望创造出新一代大深度高分辨率的光学成像技术。除此之外，光纤内部和散射介质一些特殊的物理机制可以通过波前整形技术实现特定的调制，从而加深人们对这些物理现象的认知。总之，光学波前整形作为一门新技术，其发展和应用的道路上依然存在挑战，但整体而言还是一片蓝海。期待更多科研工作者参与进来，一起拓展该技术并助力更多交叉领域的发展。

责任编辑

王启钦   暨南大学

徐静远    德国卡尔斯鲁厄理工学院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00088-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Review发表的“Wavefront shaping: A versatile tool to conquer multiple scattering in multidisciplinary fields” (投稿: 2022-03-30；接收: 2022-06-23；在线刊出: 2022-08-01)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100292

引用格式：Yu Z., Li H., Zhong T., et al. (2022). Wavefront shaping: A versatile tool to conquer multiple scattering in multidisciplinary fields. The Innovation. 3(5),100292.

作者简介

赖溥祥，香港理工大学生物医学工程系终身副教授和博导。赖博士长期致力于声光结合及其在生物医学成像、治疗、操控以及人工智能领域的应用研究，在诸如散射光聚焦、光声成像、光遗传、光纤成像等方面在过去的十多年开展了大量原创和前瞻性的工作，成果得到了国际同行的初步关注与肯定，以第一/通讯作者在Nature Photonics，Nature Communications, Advanced Science等期刊发表论文70余篇，多次获得国际会议最佳论文荣誉。赖博士2016年入选国家高层次青年人才计划，香港2016-2017年度杰出青年学者，2018年香港理工大学工学院杰出科研基金奖，2019年王宽城“一带一路”访问学者，2020年香港理工大学工学院卓越科研奖。目前担任中国光学学会生物医学光子学分会常委，中国生物医学工程学会生物医学光子学分会委员，及数个国际学术期刊副主编或者编委。

https://www.polyu.edu.hk/bme/people/academic-staff/dr-puxiang-lai/

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球46个国家/地区；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被107个国家/地区作者引用。目前有193位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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