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(tuán)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(jī)曝光中實現(xiàn)微弱散射信號的準(zhǔn)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(jì)錄提升了3倍多。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。

        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(qiáng)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(jìn)行相位預(yù)補(bǔ)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(jī)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。

       基于上述積累，中山大學(xué)研究團(tuán)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(jìn)制相位編碼掩模，使得相位的提取過程中相機(jī)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(jìn)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(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。

圖1 單次曝光真光學(xué)聚焦原理

圖2 單次曝光真光學(xué)聚焦的實驗設(shè)置

       相關(guān)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(xué)為完成單位，中山大學(xué)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(xué)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(xué)的馮元華副教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)基金項目（U2001601, 12004446, 92150102）的資助。