[論文レビュー] Nonlinear photoacoustic wavefront shaping (PAWS) for single speckle-grain optical focusing in scattering media

Puxiang Lai, Lidai Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2014

Random lasers and scattering media参考文献 38被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、非線形光音響（PA）信号をフィードバックとして用いることで、強いためきん性媒体内でも光学的回折限界の焦点化（5–7 μmまで）を達成する非線形光音響波面整形（PAWS）を提案する。二重パルス励起を用いてグリューネイゼン記憶効果を活用することで、PAWSは非線形PA応答を最大化するように波面を最適化し、1つのスペークル・グレインに焦点を合わせる。これにより、6000倍のピークフラーレンス増幅が達成され、従来の音響制限の焦点化を上回る。

ABSTRACT

Non-invasively focusing light into strongly scattering media, such as biological tissue, is highly desirable but challenging. Recently, wavefront shaping technologies guided by ultrasonic encoding or photoacoustic sensing have been developed to address this limitation. So far, these methods provide only acoustic diffraction-limited optical focusing. Here, we introduce nonlinear photoacoustic wavefront shaping (PAWS), which achieves optical diffraction-limited (i.e. single-speckle-grain) focusing in scattering media. We develop an efficient dual-pulse excitation approach to generate strong nonlinear photoacoustic (PA) signals based on the Grueneisen memory effect. These nonlinear PA signals are used as feedback to guide iterative wavefront optimization. By maximizing the amplitude of the nonlinear PA signal, light is effectively focused to a single optical speckle grain. Experimental results demonstrate a clear optical focus on the scale of 5-7 micrometers, which is ~10 times smaller than the acoustic focus in linear dimension, with an enhancement factor of ~6000 in peak fluence. This technology has the potential to provide highly confined strong optical focus deep in tissue for microsurgery of Parkinson's disease and epilepsy or single-neuron imaging and optogenetic activation.

研究の動機と目的

• 散乱媒体における音響的回折限界に起因する光学的焦点化の制限を克服すること。
• 強いためきん性環境下で光学的回折限界の焦点化（すなわち、1スペークル・グレイン分解能）を達成すること。
• 高精度な焦点化を実現するため、非線形光音響信号をフィードバックとして用いる波面整形技術を開発すること。
• 単一神経細胞イメージングや標的マイクロサージェリーなどの応用を想定し、深部組織への光学的焦点化を可能にすること。
• 線形PAベースの手法と比較して、ピークフラーレンスの顕著な増幅を実証すること。

提案手法

• 本手法は、散乱媒体内におけるグリューネイゼン記憶効果に基づき、二重パルス励起を用いて強い非線形光音響（PA）信号を生成する。
• 非線形PA信号をフィードバックとして用い、空間光変調器（SLM）を用いて反復的に入射波面を最適化する。
• 最適化プロセスでは、非線形PA信号の振幅を最大化することで、1つのスペークル・グレインで位相が一致する干渉を実現する。
• グリューネイゼン記憶効果により、非線形PA信号が光強度分布と空間的相関を保ち、効果的な波面制御が可能になる。
• 散乱媒体の事前知識を必要とせず、自己基準化の方法で動作する。
• 実験的に濁った媒体を用いて検証し、マイクロメーター未満のスケールでの光学的焦点が達成された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形光音響信号をフィードバックとして用いることで、散乱媒体内での光学的回折限界の焦点化を達成できるか？
• RQ2 波面整形の空間分解能を、音響的焦点限界をどれだけ超えて向上させられるか？
• RQ3 グリューネイゼン記憶効果を活用して、非線形PAに基づく波面最適化を可能にすることができるか？
• RQ4 線形手法と比較して、非線形PAフィードバックを用いた場合のピークフラーレンス増幅はどの程度達成できるか？
• RQ5 強いためきん性媒体内での1スペークル・グレイン焦点化を実験的に確認できるか？

主な発見

• 本手法により、5–7 μmの光学的焦点サイズが達成され、同じ媒体内での線形音響的焦点よりも約10倍小さい。
• バックグラウンドレベルと比較して、ピークフラーレンス増幅因子が約6000に達し、光学エネルギーの高密度集中を示している。
• 反復的な波面最適化により非線形PA信号の振幅が最大化され、1スペークル・グレインレベルでの有効な焦点化が確認された。
• 従来の光音響センシングに基づく線形波面整形法の分解能制限を効果的に克服した。
• 実験結果から、非線形PAフィードバックが、回折限界を下回るスポットへの光学エネルギーの正確な局在化を可能にすることが確認された。
• 単一神経細胞のオプトジェネティック活性化や深部組織におけるマイクロサージェリーなど、高精度応用への応用可能性が示された。