高速光场调控技术取得新进展

近日，中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术国家重点实验室的李朝晖教授、沈乐成副教授率领的研究团队通过研发高速光场调控技术，首次穿透约5.1 mm厚度的活体成年斑马鱼实现了散射光的聚焦。该聚焦过程结合了超声引导星和光学时间反演原理，在单次相机曝光中实现微弱散射信号的准确提取与光场调控，将平均单模场调控时间降低至29ns，较之以前的纪录提升了3倍多。

研究成果于近日发表在光学领域国际知名期刊Science Advances。

在生物光子学中，光学成像、光遗传学以及光学治疗等研究领域对光在深层生物组织内的聚焦有着强烈的依赖。但是由于生物组织中折射率的不均匀性，光在组织中传播时会被散射，这使得生物软组织内的光学聚焦深度被限制在了约1毫米左右。光场调控/波前整形技术可以通过空间光调制器等器件对入射光场进行相位预补偿，并结合超声引导星在生物组织内提供的对比度机制，能够克服散射效应实现生物组织内的光学聚焦。然而生物活体中的呼吸、血流、心跳等动态生理过程限制了波前整形系统的有效调控时间窗口。因此，面向生物活体应用的光场调控技术对于降低系统响应时间、提升系统调控速度具有迫切的需求。 

从2018年以来，中山大学电子与信息工程学院李朝晖教授、沈乐成副教授团队一直致力于搭建面向生物光子学应用的光场调控研究平台，对散射光调控与成像等技术进行深入研究。在算法研究方面提出了基于Gerchberg-Saxton算法***并行散射介质传输矩阵测量Photonics Research 9(1), 34-42 (2021) 和大范围眩光抑制Photonics Research 10(12), 2693-2701 (2022)；在技术创新方面研发了基于声光调制效应的散斑波动单帧测量方案Optics Letters 46(13), 3095-3098 (2021)和自相干双光场照明方案Optics Express 30(26), 46227-46235 (2022)；在成像应用方面展示了高通量全息成像Nature Communications 12, 4712 (2021)。这一列研究成果表明光场调控技术在生物光子学领域处理深层组织的光学散射方面具有巨大的潜力和前景。

基于上述积累，中山大学研究团队设计了一种可对抗动态活体散射的高速波前整形系统。该系统提前在空间光调制器上预加载四进制相位编码掩模，使得相位的提取过程中相机仅需要单次曝光即可，极大的缩短了调控时间。同时，在相位重构过程中系统使用GPU对数据进行并行处理，将百万像素的相位计算时间缩短至1.3 ms。通过以上优化，研发的高速波前整形系统能够在8.1 ms内完成5.2×10⁵个有效空间模式的完整调控，平均单模式调控时间降低至29ns，较之之前的记录提升了3倍多。此外，通过将聚焦的超声作为引导星，课题组利用该系统首次实现了穿透约5.1mm厚的活体成年斑马鱼的聚焦，预示该聚焦系统在活体应用中的巨大前景。

单次曝光真光学聚焦原理

单次曝光真光学聚焦的实验设置

相关工作以「High-speed single-exposure time-reversed ultrasonically encoded optical focusing against dynamic scattering」为题发表于Science Advances。该工作由中山大学为完成单位，中山大学博士生罗嘉伟为***作者，沈乐成副教授和李朝晖教授为共同通讯作者，其他合作者包括中山大学潘竞顺博士后、博士研究生伍代轩、硕士研究生赵佳玉，以及暨南大学的冯元华副教授、中国科学技术大学附属***医院的邵丽洁主治医师、美国Indiana University的刘焱博士和University of Texas Southwestern Medical Center的徐骁博士。该研究工作得到科技部重点研发计划（2019YFA0706301）国家自然科学基金项目（U2001601, 12004446, 92150102）的资助。