1 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海交通大学物理与天文学院，上海 200240
2 上海量子科学研究中心，上海 201315
波前整形方法通过改变入射光的相位模式分布来补偿由散射引起的相位畸变，使散射光子可以被有效地利用，从而实现散射光场调控。通过散射光场调控可以将有害的散射介质变成可控的光学元件，实现光的定向传输、动态检测等功能，为其在各领域中的应用提供了一种强大的工具。本文在介绍光场散射特性及其调控方法原理的基础上，介绍了散射光场空间、偏振、频率、能量和轨道角动量等自由度的调控方法，随后重点介绍了散射光场调控在成像、通信、非线性光学、量子光学、光学检测、集成光学和光计算等领域的最新研究进展。
物理光学 散射 光场调控 波前整形 传输矩阵 光学学报
2024, 44(10): 1026006
1 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
2 清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室，北京 100084
3 北京控制工程研究所，北京 100190
散射介质会破坏光束的光波前分布和能量输送，限制了强散射环境下光镊、荧光成像、光通信等技术的应用。波前整形技术通过优化入射波前，重新规划散射介质内的光传输路径，实现了在散射介质内部或透过散射介质的光聚焦，从而克服了散射介质的限制，将散射光重新利用，使得散射介质成为一个类似透镜的光学元件，也被称为“浑浊透镜”。目前主要有依赖反馈调控的迭代优化方法、建立输入-输出联系的传输矩阵方法和利用光路可逆原理的相位共轭方法三类技术路线。本文从技术原理、应用背景以及重要进展等方面梳理了基于波前整形技术的散射介质聚焦的研究进展，并对比展望了三类技术在应用中的发展前景。
散射介质 波前整形 光聚焦 迭代优化 传输矩阵 光学相位共轭 光学学报
2024, 44(10): 1026013
1 香港理工大学生物医学工程学系，中国 香港
2 香港理工大学光子技术研究院，中国 香港
3 香港理工大学深圳研究院，广东 深圳 518063
基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外，在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下，通过构建物理或深度学习模型，从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述，首先说明无透镜光纤成像的基础原理，并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法，接着介绍一些先进光纤成像模态和技术，列举光纤成像相关应用，最后分析该领域所面临的挑战，总结并展望其进一步发展方向和应用前景。
多模光纤 多芯光纤 波前整形 内窥成像 光学显微成像 深度学习 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618002
1 香港理工大学生物医学工程系，香港 九龙999077
2 香港理工大学深圳研究院，广东 深圳 518055
3 香港理工大学光子技术研究院，香港 九龙999077
4 香港理工大学体育科技研究院，香港 九龙999077
光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色，其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究，包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的，光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响，故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”；高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层，当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来，为解决这一问题，研究者提出了不同的方法，例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数，在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号，逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变，或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘，从光在生物组织中的传播特性出发，梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索，以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足，但随着硬件设备的更新和计算技术的发展，在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中，新方法和新能力将不断激发新的应用灵感，为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。
华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室，厦门 361021
提出一种通用式突变算子用于增强反馈式波前整形系统的调控效率，进而实现激光透过散射介质后的高效聚焦。为验证该突变算子提高聚焦效率的有效性，在经典优化算法，包括遗传算法、粒子种群算法、蚁群算法、模拟退火算法等四种算法的基础上引入突变算子，以优化结束后的增强因子和达到最高增强因子时的迭代周期数来表征聚焦效率。经过数值仿真和实验验证，该突变算子的引入使得四种经典优化算法的聚焦效率均得到大幅提升，增强因子提升了25%以上，同时迭代周期数减少了63%以上。当增加调控单元数量时，突变算子的高效性将更为显著。为进一步验证该突变算子的通用性，对二元振幅型调制以及多点聚焦进行了数值模拟分析，结果表明该突变算子有效增强了聚焦效率。该研究为反馈式波前整形的多种经典算法与多种调控方式提供了更高效的聚焦策略，实现了散射介质后更快更强的光斑聚焦，在光捕获、光遗传学等领域具有潜在的应用价值。
光场调控 波前整形 优化算法 散射介质 Optical modulation Wavefront shaping Optimization algorithm Scattering medium
中山大学 电子与信息工程学院 ，广东 广州 510006
光在生物组织中传播时，会被微观尺度上不均匀的组织随机散射，这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程，通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿，可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中，基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点，最适宜与生物医学应用相结合，如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展，探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战，并概述其应用开展情况。
波前整形 光学相位共轭 超声调制 生物成像 wavefront shaping optical phase conjugation ultrasonic modulation biomedical imaging 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220256
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术，从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术，到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像，再到近年热门的深度学习方法。尽管这些方法和技术都经过了毛玻璃、氧化锌薄膜、生物组织切片等薄散射介质的原理性验证，但随着介质厚度增加，所有方法和技术都迅速失效。厚度一直是难以克服的瓶颈。这篇评论归纳对比了散射成像的主要方法和技术，重新审视了经过散射介质波前被完全随机化等主流观点，分析了现有方法和技术无法透过厚散射介质成像的原因，并提出了未来有望真正解决问题的研究方向。
透过散射介质成像 弹道光 散射光 波前整形 散斑自相关成像 深度学习 imaging through scattering media ballistic photons scattered photons wavefront shaping speckle autocorrelation imaging deep learning 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220261
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
散射介质内目标探测和成像技术在生物医学领域具有广泛应用，但目前的探测方法仍存在外部激发光的使用效率低或者聚焦位置不确定等问题。为此，提出一种利用区域方差反馈的波前整形技术实现散射介质内非侵入式深度可选择聚焦。该技术利用目标散斑的区域方差作为波前整形的反馈信号，通过空间光调制器对输入波前进行相位调制，使散射介质内的激发散斑聚焦到单个目标点上。结果表明，区域方差的波前整形算法不仅能够实现散射介质内目标的深度聚焦，还可根据区域选择将外部输入激光聚焦在确定的目标位置上。这种可选择聚焦技术为生物组织内多目标成像提供一种新的技术途径。
散射 区域方差 深度聚焦 非侵入式 散射介质 波前整形 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1029001
