基于振幅型空间光调制器实现具有鲁棒性且高对比度的多焦点聚焦方法

论文信息

背景引入

光学散射是自然界中一种普遍的物理现象，光散射是由于光在介质中传播路径的复杂性和时空不均匀性所致，例如，在生物样品和白色涂料等复杂光子介质中广泛存在结构无序和不均匀性。光在通过无序介质时不可避免地会发生多次散射，但光的干涉信息会保留。

研究散射光的干涉具有重大意义，例如安德森局域化、相干背散射(CBS)以及随机激光现象等都是通过研究散射光的干涉发现。值得注意的是，已证明通过实时反馈或者对透射矩阵的测量，借助波前整形（WFS）技术可以实现对多重散射光进行主动控制。

散射光是通过在入射光的波前上加载一些特定的相位模式来操纵的，这提供了揭示复杂散射过程中基本物理特性的能力，如打开/关闭本征通道、散射介质内部的能量增强、透射特征通道的横向定位。此外，通过对散射光的控制，对光学成像、光通信、非线性光学以及生物医疗等方面有着非常重要的应用价值。
 

空间光调制器工作原理

振幅型空间光调制器TSLM023-A的显示屏采用的是扭曲向列型面板（TN面板），这种液晶工作模式具有旋光作用，能够改变光的偏振方向。通过对液晶分子进行加电改变液晶偏转角度，调节旋光效应的强弱，配合偏振器件就能够实现振幅调制。这个过程中双折射效应与旋光效应并存，液晶厚度的增加可以使双折射效应减弱，做到纯振幅调制。而当液晶盒的厚度足够大，且液晶分子倾角较低时，只有相位调制，无振幅调制；在液晶分子倾角较大时，会出现振幅调制，此时振幅和相位同时进行调制, 液晶倾角是由加载在液晶分子两端的像素电压决定的，因此液晶像素电压范围决定了液晶器件工作在振幅调制区还是相位调制区。所以，通过改变加载的图像使用TSLM023-A也可以实现一定的相位调制。

本文主要研究工作

文章所采用的实验装置如图1所示，扩束后的532nm光通过振幅型空间光调制器（中科微星 TSLM023-A），采用全息的方式实现对波前的纯相位控制。在SLM上使用M个像素来控制波前单个相位，单个像素大小为26um，对应地透射光的可控点总数与像素数相同，即目标区域大小对应SLM像素的数量，通过将测量图案与目标图案的高纬度矢量对准来实现纯相位控制。

图1 实验装置。在虚线框中，散射样品被放置在带有黑条的白纸上，表明样品强烈散射光。

图2 模拟结果。具有时间反转WFS (a)和具有反馈的WFS (c)的三聚焦模式，分别对应于(b)和(d)中的第一个模拟结果。利用时间反转WFS (b)和反馈WFS (d)在10个不同的模拟中构建的三聚焦模式的峰值-背景比(

审核编辑 黄宇