[发明专利]基于全光场调控的散射介质光场聚焦方法与装置

说明书

本发明属于散射介质光场调控技术领域，涉及一种基于全光场调控的散射介质光场聚焦方法与装置。本发明首次提出对入射散射介质内的光场进行具有振幅、相位、偏振等全部光场信息的全光场调控，通过两套光场调控装置对两束不同偏振方向的光束进行调控来不断优化两个复振幅光场，同时调控其相位和振幅信息，通过合束装置将两个复振幅光场合束后生成目标全光场，进而优化经过散射介质扰乱后形成的散斑分布，得到所需形成的聚焦光束。本发明将全光场调控技术运用到散射介质光场光束聚焦中，增加了光场的调控维度，大幅提升散射介质光场调控的质量，解决了目前振幅、相位或偏振单一维度调制方式导致的散射介质内光场调控精度难以显著提高的难题。

技术领域

本发明属于散射介质光场调控技术领域，可利用本发明将光学成像、光学检测、光治疗和光操控等技术应用到强散射样品中，克服光散射造成的影响。

背景技术

由于光子受到位势作用改变初始传播的轨迹而发生光散射现象，使得光学成像、光学检测、光治疗和光操控等技术应用于强散射介质时难以取得理想效果。以生物组织为例，生物组织由多层透明生物细胞组成，光束仅经过数十微米就会发生多重散射，因而大部分生物组织呈现出不透明的状态，直接影响到光学成像的清晰度。生物组织的散射系数比吸收系数高10~100倍，意味着生物组织的光学成像受到光散射的影响远大于光吸收的影响。因此，若能减弱光散射现象对介质内光场传播的影响，则能大幅提升光学技术在强散射介质中的应用效果。

光场调控是实现散射介质内光场聚焦的前提，为此研究人员相继提出利用反馈式波前整形法、传输矩阵法和相位共轭法等多种技术通过调控入射光场的波阵面来实现透过散射介质的光束聚焦。传输矩阵法是使用传输矩阵表示入射光场与出射光场之间的线性关系，一旦测定出散射介质的传输矩阵，即可根据所需形成的聚焦光场反推入射光场，从而实现光束在散射介质中的聚焦。然而传输矩阵的测量非常困难，原因是散射介质的自由度极高，传输矩阵需要用非常多的元素来描述。相位共轭法是通过将入射光场输入散射介质后测量散射光场，将散射光场相位共轭后反向传输进散射介质，在散射介质后还原为初始的入射光场。相位共轭法包括透射式相位共轭法和反射式相位共轭法，其中透射式相位共轭法需要从介质的另一侧将光投射回去，若散射介质较厚，则采集到的散射光场的信噪比低，无法还原初始入射光场，且相位共轭后的光场经散射介质后一部分光变为背景噪声，聚焦质量受到限制；而反射式相位共轭法采集后向散射光场共轭后投射进散射介质中，由于后向散射光非常弱且经引导靶调制后能量进一步衰减，因此信噪比非常低。

反馈式波前整形法是通过空间光调制器对入射散射介质的光束波阵面进行预先调控，将散射介质后光束聚焦质量作为反馈信号，不断调控入射光束波阵面，实现在散射介质后面或内部产生聚焦光斑。此方法优点是所需的系统简单、易于控制，在使用单点接收的探测器时速度非常快，并且能够用于荧光成像，而缺点是优化入射波阵面的时间较长，难以实现动态散射介质的光学聚焦和成像，因此需要提高迭代优化算法的搜索效率，提高入射光束波阵面的优化速度。除此之外，目前反馈式波前整形法所使用的波前调制器仅能对振幅和相位其中一项进行调控，并且无法调控光场的偏振方向，而完整的光场包括振幅、相位和偏振信息，光场调控维度受限导致调控精度难以进一步显著提高，光束经散射介质的聚焦效果远未达到最佳效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出将全光场调控技术来对入射到散射介质内部的光场进行精确地调控，利用经散射介质扰乱后形成的散斑分布与所需形成的聚焦光束形成的图案之间的差异值作为反馈信号，不断优化入射光场的振幅、相位和偏振信息，最终得到所需形成的聚焦光束。由于全光场调控技术同时对光场的相位、振幅和偏振进行调控，因此本发明极大地提高了散射介质内光场的调控精度。