近日，中山大學電子與信息工程學院、光電材料與技術國家重點實驗室的李朝暉教授、沈樂成副教授率領的研究團隊通過研發(fā)高速光場調(diào)控技術，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。該聚焦過程結合了超聲引導星和光學時間反演原理，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29ns，較之以前的紀錄提升了3倍多。研究成果于近日發(fā)表在光學領域國際知名期刊Science Advances。

        在生物光子學中，光學成像、光遺傳學以及光學治療等研究領域?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/波前整形技術可以通過空間光調(diào)制器等器件對入射光場進行相位預補償，并結合超聲引導星在生物組織內(nèi)提供的對比度機制，能夠克服散射效應實現(xiàn)生物組織內(nèi)的光學聚焦。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，面向生物活體應用的光場調(diào)控技術對于降低系統(tǒng)響應時間、提升系統(tǒng)調(diào)控速度具有迫切的需求。

       基于上述積累，中山大學研究團隊設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5.2×10?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，預示該聚焦系統(tǒng)在活體應用中的巨大前景。

圖1 單次曝光真光學聚焦原理

圖2 單次曝光真光學聚焦的實驗設置

       相關工作以「High-speed single-exposure time-reversed ultrasonically encoded optical focusing against dynamic scattering」為題發(fā)表于Science Advances。該工作由中山大學為完成單位，中山大學博士生羅嘉偉為第一作者，沈樂成副教授和李朝暉教授為共同通訊作者，其他合作者包括中山大學潘競順博士后、博士研究生伍代軒、碩士研究生趙佳玉，以及暨南大學的馮元華副教授、中國科學技術大學附屬第一醫(yī)院的邵麗潔主治醫(yī)師、美國Indiana University的劉焱博士和University of Texas Southwestern Medical Center的徐驍博士。該研究工作得到科技部重點研發(fā)計劃（2019YFA0706301）國家自然科學基金項目（U2001601, 12004446, 92150102）的資助。