波前整形：讓光線穿透散射介質

你可能使用過光學顯微鏡，它可以讓我們看到細胞、細菌等。但是，你知道嗎，光學顯微鏡也有它的局限性，它不能看到一些更小、更復雜的結構，比如神經元、蛋白質、DNA等。為什么呢？因為這些結構通常被包裹在散射介質中，比如組織、液體、纖維等。

散射介質會使光線發(fā)生多次反射和折射，導致光線的方向和相位發(fā)生變化，從而使原本清晰的圖像變得模糊不清。這就好像你在渾濁的水里看東西，或者在霧天開車，你會發(fā)現(xiàn)視線受到很大的影響。 那么，有沒有辦法讓光線穿透散射介質，從而看到隱藏在其中的目標呢？

答案是有的，這就是波前整形技術。波前整形技術的基本思想是，通過改變入射光線的波前信息，也就是光線的方向和相位，使得經過散射介質后的光線能夠重新聚焦或成像。這就好像你戴上一副眼鏡，可以調節(jié)你的視力，讓你看得更清楚。

那么，如何改變入射光線的波前信息呢？我們需要用到一種特殊的器件，叫做空間光調制器（Spatial Light Modulator, SLM）。SLM可以對入射光線進行高自由度的調制，比如改變它的強度、相位、偏振等。SLM通常由很多個小單元組成，每個小單元可以獨立地調節(jié)入射光線的波前信息。

這樣，我們就可以通過給SLM輸入一個調制信號，來控制入射光線的波前形狀。 但是，如何知道給SLM輸入什么樣的調制信號才能使出射光線重新聚焦或成像呢？這就需要用到一些算法和反饋機制。我們可以利用一個探測器來測量出射光線的強度分布，并根據(jù)我們想要達到的目標來定義一個目標函數(shù)。

比如，如果我們想要在某個位置實現(xiàn)聚焦，那么目標函數(shù)就可以是該位置的光強；如果我們想要在某個平面實現(xiàn)成像，那么目標函數(shù)就可以是該平面上與原始圖像之間的相似度。

然后，我們可以利用一些優(yōu)化算法來尋找最優(yōu)的調制信號，使得目標函數(shù)達到最大或最小值。這個過程通常需要多次迭代，并且需要考慮散射介質的特性，比如散射強度、散射角度、散射相關性等。這個過程可能會比較耗時和復雜，但是一旦找到了最優(yōu)的調制信號，我們就可以實現(xiàn)透過散射介質的聚焦或成像。

波前整形技術有很多種類，根據(jù)不同的原理和方法，可以分為光學相位共軛技術、基于反饋優(yōu)化的波前整形技術、光學傳輸矩陣技術等。這些技術各有優(yōu)缺點，具體的原理和應用我就不在這里詳細介紹了，有興趣的同學可以自己去查閱相關資料。

波前整形技術在光學領域有著廣泛的應用，比如生物醫(yī)學成像、超分辨成像、光通信、量子信息等。它可以讓我們突破散射介質的限制，看到更深、更清晰、更精確的圖像。它也可以讓我們控制光子在復雜介質中的傳播路徑，實現(xiàn)光場的精密操控。它還可以讓我們利用散射介質作為新型的光學元件，實現(xiàn)光學功能的增強和拓展。

審核編輯：劉清