[论文解读] Focusing of light by random scattering

Ivo M. Vellekoop, Allard P. Mosk|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2006

Random lasers and scattering media参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文展示了通过使用反馈控制调节入射波前，相干光可以被聚焦穿过强散射介质（如白漆或生物组织）。通过迭代优化各个波前分量的相位，研究人员实现了焦点亮度比散射背景高出1,000倍，从而通过逆向波扩散过程有效逆转了随机散射。

ABSTRACT

Random scattering of light is what makes materials such as white paint, clouds and biological tissue opaque. We show that although light propagating in these media is diffuse, a high degree of control is possible as phase information is not irreversibly lost. Opaque objects such as eggshell or white paint focus coherent light as sharply as a lens when illuminated with a wavefront that inverts the wave diffusion. We demonstrate the construction of such wavefronts using feedback, achieving a focus that is 1000 times brighter than the diffusely transmitted light. Our results are explained quantitatively by a universal relation based on statistical optics.

研究动机与目标

• 克服不透明材料中随机散射带来的基本限制，该限制会阻碍光的精确输送与成像。
• 探究在无直穿传输成分的情况下，相干光是否仍能被聚焦于强散射介质中。
• 开发一种利用自适应波前整形实现在散射介质中高强度、衍射受限聚焦的方法。
• 证明该方法在多种散射材料（包括生物组织和无机颜料）中的普适性与鲁棒性。

提出的方法

• 使用在纯相位模式下工作的反射式空间光调制器（SLM），将入射波前划分为3,228个空间上独立的分量。
• 通过反馈回路单独调整每个分量的相位，以焦点处的强度作为优化指标。
• 优化过程包括在0–2π范围内分十步扫描每个分量的相位，并通过测量强度拟合正弦曲线以确定最优相位。
• 采用两步迭代算法：首先对12个分量进行粗略预优化，然后以预优化场作为参考进行完整优化。
• 每次相位调整后，系统稳定100 ms以确保测量精度。
• 通过显微镜物镜后焦平面的CCD相机检测透射光，强度在小于典型散斑尺寸的区域内积分。

实验结果

研究问题

• RQ1 相干光是否能以与透镜相当的控制程度被聚焦于强散射介质中？
• RQ2 是否可能在不依赖直穿或未散射光成分的情况下，在散射介质中实现高强度焦点？
• RQ3 波前整形方法在不同散射材料中的鲁棒性与普适性达到何种程度？
• RQ4 通过逆向波扩散在无序介质中可实现的最大强度增强是多少？
• RQ5 是否可以通过优化波前整形在散射介质中同时形成多个焦点或简单图像？

主要发现

• 成功实现了一个焦点，其亮度比优化前的散斑背景平均强度高出1,000倍。
• 焦点为衍射受限，半高全宽（FWHM）约为1.2 μm，表明具有高空间分辨率。
• 通过在多个点上优化目标强度分布，成功同时形成了多个焦点（例如五边形图案）。
• 最优波前中相邻分量之间无相关性，证实光已经历数百次散射事件，且焦点并非由直穿传输贡献。
• 在TiO₂样品中测得的输运平均自由程为0.55 ± 0.10 μm（波长632.8 nm），证实该介质具有高度散射特性。
• 该方法成功应用于生物样品（包括蛋壳、花瓣和恒牙），证明其在合成材料之外的广泛应用潜力。