Nature Photonics | 高功率快速波前整形器

研究背景

      在具有复杂散射特性的介质中，如生物组织、白纸、云和雾等，微观尺度的折射率不均匀性会导致光学散射，从而扰乱入射光的波前。这一现象对光的传播和聚焦极为不利，因而成为了光学成像和激光手术等领域发展要解决的难题之一。波前整形技术(WFS)通过调整入射光的波前，利用多重散射光的干涉来抑制散射作用实现成像光束的重新聚焦，以此达成透过散射介质成像的目标。

      对于生物医学应用来说，活性生物组织在相干光的照射下会因为其生理活动产生散斑影响成像质量，因此需要在散斑相关时间内(1ms)完成波前整形工作，即要求工作速度快。另一方面，生物组织与雾气不同，对光波的吸收较大，因此要求波前校正过程中的能量损失尽量小，即要求能量增益高。最后，WFS的控制自由度决定了波前调制的精细度，从而影响成像的清晰度，也是一个重要因素。

      在波前整形研究领域，要同时满足高速、高能量增益和高控制自由度是很困难的。这也是该文要解决的关键问题。

论文导读

      相机大家都不陌生，其核心也是最贵的部件其实只有两个：镜头和光电成像器件。镜头负责把目标景物投影成像到光电成像器件上，就像看电影时我们要看的景物被投影到幕布上一样，只是看电影是把景象放大，摄影则是把景象缩小。光电成像器件则负责把这个光学投影转化为数字图像存储在内存中。

      在研究成像问题时，通常会把每一个景物看作是无数个物点的集合。每一个物点发出的光经过镜头后，会聚到同一个点上就能得到一个清晰的像点。所有像点集合在一起就可以看到景物的清晰投影。

      光是电磁波，具有波的共性，可以用水波来打比方，便于理解。把物点发光的过程想象成向水潭中投入一颗石子。物点发出的光波与石子激起的水波形态相似，每一个波纹就可以被称为是一个波前。物点发出的波前是外凸且逐渐发散的，而经过镜头后，波前变成内凹的形态就可以会聚成投影的像点。从这一角度来看，相机镜头也可以看作是一个简单的波前整型器件。

      如果在摄影过程中，目标景物和相机之间存在类似于雾这样的强散射介质，雾气的散射作用会把物点的波前搅乱(就像石子激发的水波遇到一堆细小的礁石以后会被扰乱一样)，因而无法成像，拍出来的照片就会是白茫茫的一片。人眼的视觉原理也与此类似，只是把镜头换成了角膜和晶状体，把光电成像器件换成了视网膜。

      透过雾气成像对军事(防止敌人偷袭)、交通、通信等领域有着极为重要的作用，解决方法之一就是波前整形技术(wavefront shaping, 简称WFS)。此外，生物组织也属于散射介质，波前整形技术对于透皮成像也有着极为重要的意义。美国加州理工学院光学成像实验室的Lihong V. Wang等人提出了一种结合了模拟光学相位共轭(analogue optical phase conjugation, AOPC)和受激辐射光放大的新型波前整形技术，同时具备了高速、高能量增益和高控制自由度的优点。相关成果以High-gain and high-speed wavefront shaping through scattering media为题发表在Nature Photonics上。

技术突破

      该文设计的核心思想在于将受激辐射光放大的概念与基于APOC的WFS系统相结合。该文所用APOC中采用了一个具有亚毫秒响应时间的光折变晶体(photorefractive crystal, PRC)作为相位共轭镜。系统原理如图1a所示。在散射介质和PRC之间有一个由增益介质和泵浦光源组成的受激辐射光放大组件(简称增益组件)；图中的红色五角星为光源；光束经介质散射后被一个集光透镜聚焦到增益组件中；经增益组件放大的光被透镜投影到PRC中与参考光发生干涉，并根据光致折变效应将其作为体积全息图记录下来。使用受激辐射来放大散射光是为了保证光束的相干性的同时维持波前不变，这一点对后期的时间反转操作至关重要。使用共轭参考光照射PRC中的体积全息图(即干涉条纹)从而产生与PRC入射光场相位共轭的衍射光场。共轭衍射光逆着入射轨迹进入增益组件并在保证波前不变的同时被其放大，从而使其共轭特性得以保留。放大后的衍射光场最终作为时间反转光束穿过散射介质会聚在图1a所示红色五角星处。在整个过程中，受激辐射光放大弥补了PRC共轭反射率低的缺陷。图1d展示了有无受激辐射光放大组件的成像效果对比。

      实验装置如图2所示。光源为窄带单模激光器，波长1064nm、线宽小于10^-5nm、直径4mm。入射光经过两套“半波片(HWP)和偏振分束器(PBS)的组合”被分成三份，第一份作为共轭参考光、第二份作为干涉参考光、第三份作为散射介质的入射光(10mW左右)。两束参考光的功率均为100mW左右。两个参考光路上的透镜组都是用于光束整形的(扩束和准直)。实验中使用了两套增益组件，其内的增益物质均为Nd:YAG(掺杂浓度0.8%，直径6.35mm，140mm长)；泵浦源为多个808?nm激光二极管阵列(总峰值泵浦能量10kW)；使用水冷降温(维持在24±0.1℃)；可将光功率放大约50倍。主光路中的HWP将入射光调整为竖直偏振；增益组件前的偏振片(P)则负责滤除噪声保证只有信号光被放大；高通滤波片(LPF)的截止波长为950nm，负责滤除808nm的泵浦光。PRC的材质为GaAs，响应时间低于1ms，幅面为5?mm?×?5?mm，厚度为7mm；分束器(BS)负责在不影响入射光的前提下将放大后的时间反转光束导入相机。增益组件的入射光束均稍稍偏离正入射，以避免在增益介质中发生自激振荡。

      在常规的APOC系统中，PRC中体积全息图的写入和读取通常是分开的。该文中则让入射光、干涉参考光和共轭参考光同时连续照射PRC，相当于存在入射光、两束参考光和时间反转光束的四波混叠模式。这样做有两方面的好处：1、四波混叠模式中AOPC的反射率比先写后读更高(文章支撑材料中有实验验证)；2、该文所用PRC响应时间极短，因此同时读写可以节省时间。如果PRC的响应较慢，还是用先写后读模式更好一些。

      该文中用散射角约为10°的标准散射片(DG-120, Thorlabs)作为散射介质来验证系统的可行性，结果如图3所示。在拍摄图3c-f时，在相机镜头前加装了衰减片以免损坏设备。从图3b和g的径向光强分布曲线来看，初始的时间反转光束的峰值强度只有19a.u.，而全功率泵浦后被放大到了1.024×10⁵a.u.，达到了约5390倍。WFS的能量增益定义为：时间反转光束和‘会聚到PRC上的散射光’的能量比。加装了增益模块后WFS的能量增益提高了约四个数量级。从图3h可以看出，能量增益和泵浦功率成正比。WFS的对比度噪声比(contrast-to-noise ratio, CNR)定义为：‘峰值强度与背景强度平均值之差’和‘背景强度分布的标准差’之间的比值，因此CNR很好地体现了焦点的可见度。在该文系统中，焦点附近的背景主要是来自于增益介质的光学噪声。从图3h可以看出，当泵浦功率超过一定限度后，因背景光的起伏增加速度过快，CNR会有所下降。因而实际应用时要选择合适的泵浦功率。

      为了验证该文所述系统的实际应用效果，作者还分别使用了鸡胸肉和活体小鼠做生物实验。作者首先将4mm厚的鸡胸肉放置在电动平移台上，通过控制其移动速度来产生预期的散斑相关时间，如图4a和b所示。时间反转光束的光强分布如图4c所示，四幅图分别对应不同的移动速度和散斑相关时间。时间反转光束的峰值强度随散斑相关时间变化的曲线如图4d所示。实验结果表明，当散斑相关时间大于15微秒以后，该文所述系统的性能基本保持稳定。

      活鼠耳部血管众多活性很强，具有强散射、强吸收、散斑时间短(2ms，如图5a所示)的特点。对于常规的AOPC系统来说，聚焦到PRC上的散射光过弱，无法观察到时间反转光束焦点，如图5b所示；但该文所述系统可以清晰的观察到焦点，且能量增益约为0.3，体现了优势所在。

观点评述

      该文通过在常规APOC系统中增加基于受激辐射光放大的增益模块，利用受激辐射光放大不会改变入射光的偏振状态和波前的特点，在不影响时间反转光束的产生的前提下，将WFS系统的能量增益提高了几个数量级。同时，作者改变了传统APOC系统中对PRC中全息图的先写后读的工作模式，利用高速PRC，采用同时读写的四波混叠模式，进一步提高了WFS的相位共轭反射率和工作速度(10微秒)。文中使用标准散射片验证了系统的可行性，又用鸡胸肉就活性生物组织中的散斑现象对系统性能的影响进行了系统研究，最后用活体小鼠的耳部实验体现了系统性能的优越性。

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