一、引言

一直以来，研究人员致力于分析造成散射的原因、随机介质性质以及各种散射光的特征，并且研究透过散射介质成像。1990年，I.Freund从理论上表明，在适当条件下，不透明的散射介质可以用作薄透镜，从而产生障碍物后面的物体近乎完美的傍轴图像。该研究在理论上表明，通过合适的技术方法是可以对散斑场进行调控的。光学非线性效应的相位共轭起到消除畸变的作用使研究人员开启激光经过弱散射介质的成像。对于弱散射介质可以结合自适应光学中相位恢复的算法实现成像，但是对于强散射介质，由于介质的特性，其散射过程比弱散射介质更为复杂。激光经过这些强散射介质时，大部分入射光的路径将偏离原来入射方向，这使求解波动方程问题变得复杂。研究人员引入格林函数来求解波动方程，例如电磁散射理论中使用格林函数求解散射场中的波叠加光场。在微波和超声领域，研究人员也使用格林函数以及多路径效应来重构波前从而实现波的聚焦和成像。其中，在声场中，利用超声换能器来实现声波的超衍射的聚焦。随后光学中的相位共轭（时间反演）也应用到雷达和微波技术，并实现了超衍射的聚焦，为成像和通信都带来更多的发展前景。

2007年，I.M.Vellkoop等人提出波前调制技术，该技术最主要的特点是调控强散射介质之前的光场相位，可以使强散射介质之后的散射光场实现聚焦。通常光经过散射介质变成随机散斑场，多重散射导致许多随机相干光叠加的颗粒状。散射介质在其中变成类似一种编码元件，如果能够详细获悉散射介质通道，可以利用以类似解码的方式能够恢复原来的光场或对光场进行调控，具体原理如图1所示。这个工作从实验上表明，尽管光束经过散射介质的散射过程是一个非常复杂的过程，但是通过波前整形技术，利用算法让空间光调制器改变入射光的相位，可以有效控制入射场的光场，让散斑场的光场叠加形成聚焦点。

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图1 反馈控制波前整形聚焦的原理与结果[1]

2008年，Vellkoop等人对调控算法进行了研究，提出了三种不同的反馈调制算法，并比较了不同算法在聚焦效果和迭代过程中的优缺点。其中值得一提的是， 2010年，他们基于散射介质，实现了超分辨率聚焦，通过对6μm的散射介质的散斑场进行调控，获得了约为传统透镜聚焦十分之一的光斑，如图2所示。研究人员发现激光经过强散射介质时，散射介质增大了入射光的数值孔径，这就意味着可以实现超衍射极限的聚焦，使散射介质变为一种实现聚焦的光学元件。

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图2 超衍射极限聚焦示意图[2]

2008年，Z. Yaqoob等人将非线性相位共轭技术应用于生物组织成像，他们使用的光折变晶体来抑制随机散斑场，通过单次记录完成散射成像，如图3所示。2009年，Pauriss等人利用SLM实现相位共轭，对光纤输出场进行调控。相位共轭聚焦如图4所示。由于非线性效应相位共轭对激光功率以及晶体都有一定要求，这使实验的成本和复杂度也大大加深，空间光调制器的出现实现数字相位共轭。

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图3 光折变经晶体相位共轭实验图[3]

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图4 数字光学相位共轭示意图[4]

二、相位共轭法散射聚焦成像Matlab仿真

本博文对基于相位共轭法散射聚焦成像进行了Matlab仿真，结果如图5所示，待测物体为分辨率板，模拟的散射介质如图5(b)所示，此时，受系统中散射介质的影响，CCD采集到的是含有散斑图案的散斑图，如图5©所示。随后，通过相位共轭的思想，在图2中，通过SLM或DMD调制波前相位以抑制散射介质的影响。聚焦成像结果如图5(d)所示。

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图5 相位共轭散射聚焦成像结果

相位共轭技术在生物组织成像中的应用，本博文选取某生物细胞为例，如图6(a)所示，同样，受散射介质的影响，CCD采集到的是散斑图，通过相位共轭调制技术，可消除散射介质的影响，获得清晰像。

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图6 相位共轭散射聚焦成像结果

三、参考文献

[1] I. M. Vellekoop, A. P. Mosk. Focusing coherent light through opaque strongly scattering media [J]. Opt Lett, 2007, 32(16): 2309-11.
[2] I. M. Vellekoop, A. Lagendijk, A. P. Mosk. Exploiting disorder for perfect focusing [J]. Nat Photonics, 2010, 4(5): 320-2.
[3] Zahid Yaqoob, Demetri Psaltis, Michael S. Feld, et al. Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples [J]. Nat Photonics, 2008, 2(2): 110-5.
[4] 扎西巴毛. 激光经过随机介质的光场调控与成像 [D]; 华侨大学, 2020.

四、Matlab程序开发与实验指导

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▁▂▃▅▆▇ 博士研究生生 ，研究方向主要涉及定量相位成像领域，具体包括干涉相位成像技术(如**全息干涉☑**、散斑干涉☑等)、非干涉法相位成像技术(如波前传感技术☑，相位恢复技术☑)、此外，还对各种相位解包裹算法☑，相干噪声去除算法☑等开展过深入的研究。
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