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控，將平均單模場調控時間降低至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對光在深層生物組織內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的光學聚焦深度被限制在了約1毫米左右。光場調控/波前整形技術可以通過空間光調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提供的對比度機制，能夠克服散射效應實現(xiàn)生物組織內的光學聚焦。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)的有效調控時間窗口。因此，面向生物活體應用的光場調控技術對于降低系統(tǒng)響應時間、提升系統(tǒng)調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內完成5.2×10?個有效空間模式的完整調控，平均單模式調控時間降低至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。