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2022-12-29 16:38 |
中山大學(xué)研究團隊在高速光場調(diào)控技術(shù)方面取得新進展
近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的李朝暉教授、沈樂成副教授率領(lǐng)的研究團隊通過研發(fā)高速光場調(diào)控技術(shù)，首次穿透約5.1 mm厚度的活體成年斑馬魚實現(xiàn)了散射光的聚焦。該聚焦過程結(jié)合了超聲引導(dǎo)星和光學(xué)時間反演原理，在單次相機曝光中實現(xiàn)微弱散射信號的準確提取與光場調(diào)控，將平均單模場調(diào)控時間降低至29 ns，較之以前的紀錄提升了3倍多。 ^]Q.V
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研究成果于近日發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊Science Advances。 Qg0%r bE
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在生物光子學(xué)中，光學(xué)成像、光遺傳學(xué)以及光學(xué)治療等研究領(lǐng)域?qū)庠谏顚由锝M織內(nèi)的聚焦有著強烈的依賴。但是由于生物組織中折射率的不均勻性，光在組織中傳播時會被散射，這使得生物軟組織內(nèi)的光學(xué)聚焦深度被限制在了約1毫米左右。光場調(diào)控/波前整形技術(shù)可以通過空間光調(diào)制器等器件對入射光場進行相位預(yù)補償，并結(jié)合超聲引導(dǎo)星在生物組織內(nèi)提供的對比度機制，能夠克服散射效應(yīng)實現(xiàn)生物組織內(nèi)的光學(xué)聚焦。然而生物活體中的呼吸、血流、心跳等動態(tài)生理過程限制了波前整形系統(tǒng)的有效調(diào)控時間窗口。因此，面向生物活體應(yīng)用的光場調(diào)控技術(shù)對于降低系統(tǒng)響應(yīng)時間、提升系統(tǒng)調(diào)控速度具有迫切的需求。 Z!*6;[]SfG
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從2018年以來，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院李朝暉教授、沈樂成副教授團隊一直致力于搭建面向生物光子學(xué)應(yīng)用的光場調(diào)控研究平臺，對散射光調(diào)控與成像等技術(shù)進行深入研究。在算法研究方面提出了基于Gerchberg-Saxton算法高效并行散射介質(zhì)傳輸矩陣測量Photonics Research 9(1), 34-42 (2021) 和大范圍眩光抑制Photonics Research 10(12), 2693-2701 (2022)；在技術(shù)創(chuàng)新方面研發(fā)了基于聲光調(diào)制效應(yīng)的散斑波動單幀測量方案Optics Letters 46(13), 3095-3098 (2021)和自相干雙光場照明方案Optics Express 30(26), 46227-46235 (2022)；在成像應(yīng)用方面展示了高通量全息成像Nature Communications 12, 4712 (2021)。這一列研究成果表明光場調(diào)控技術(shù)在生物光子學(xué)領(lǐng)域處理深層組織的光學(xué)散射方面具有巨大的潛力和前景。 KT+{-"4-
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基于上述積累，中山大學(xué)研究團隊設(shè)計了一種可對抗動態(tài)活體散射的高速波前整形系統(tǒng)。該系統(tǒng)提前在空間光調(diào)制器上預(yù)加載四進制相位編碼掩模，使得相位的提取過程中相機僅需要單次曝光即可，極大的縮短了調(diào)控時間。同時，在相位重構(gòu)過程中系統(tǒng)使用GPU對數(shù)據(jù)進行并行處理，將百萬像素的相位計算時間縮短至1.3 ms。通過以上優(yōu)化，研發(fā)的高速波前整形系統(tǒng)能夠在8.1 ms內(nèi)完成5.2×10⁵個有效空間模式的完整調(diào)控，平均單模式調(diào)控時間降低至29ns，較之之前的記錄提升了3倍多。此外，通過將聚焦的超聲作為引導(dǎo)星，課題組利用該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了穿透約5.1mm厚的活體成年斑馬魚的聚焦，預(yù)示該聚焦系統(tǒng)在活體應(yīng)用中的巨大前景。 [XubzZ9
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