你可能使用過(guò)光學(xué)顯微鏡，它可以讓我們看到細(xì)胞、細(xì)菌等。但是，你知道嗎，光學(xué)顯微鏡也有它的局限性，它不能看到一些更小、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如神經(jīng)元、蛋白質(zhì)、DNA等。為什么呢？因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)通常被包裹在散射介質(zhì)中，比如組織、液體、纖維等。

散射介質(zhì)會(huì)使光線(xiàn)發(fā)生多次反射和折射，導(dǎo)致光線(xiàn)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(kāi)車(chē)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)視線(xiàn)受到很大的影響。 那么，有沒(méi)有辦法讓光線(xiàn)穿透散射介質(zhì)，從而看到隱藏在其中的目標(biāo)呢？

答案是有的，這就是波前整形技術(shù)。波前整形技術(shù)的基本思想是，通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€(xiàn)的波前信息，也就是光線(xiàn)的方向和相位，使得經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)后的光線(xiàn)能夠重新聚焦或成像。這就好像你戴上一副眼鏡，可以調(diào)節(jié)你的視力，讓你看得更清楚。

那么，如何改變?nèi)肷涔饩€(xiàn)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(diào)制器（Spatial Light Modulator, SLM）。SLM可以對(duì)入射光線(xiàn)進(jìn)行高自由度的調(diào)制，比如改變它的強(qiáng)度、相位、偏振等。SLM通常由很多個(gè)小單元組成，每個(gè)小單元可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)入射光線(xiàn)的波前信息。

這樣，我們就可以通過(guò)給SLM輸入一個(gè)調(diào)制信號(hào)，來(lái)控制入射光線(xiàn)的波前形狀。 但是，如何知道給SLM輸入什么樣的調(diào)制信號(hào)才能使出射光線(xiàn)重新聚焦或成像呢？這就需要用到一些算法和反饋機(jī)制。我們可以利用一個(gè)探測(cè)器來(lái)測(cè)量出射光線(xiàn)的強(qiáng)度分布，并根據(jù)我們想要達(dá)到的目標(biāo)來(lái)定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

比如，如果我們想要在某個(gè)位置實(shí)現(xiàn)聚焦，那么目標(biāo)函數(shù)就可以是該位置的光強(qiáng)；如果我們想要在某個(gè)平面實(shí)現(xiàn)成像，那么目標(biāo)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(lái)尋找最優(yōu)的調(diào)制信號(hào)，使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大或最小值。這個(gè)過(guò)程通常需要多次迭代，并且需要考慮散射介質(zhì)的特性，比如散射強(qiáng)度、散射角度、散射相關(guān)性等。這個(gè)過(guò)程可能會(huì)比較耗時(shí)和復(fù)雜，但是一旦找到了最優(yōu)的調(diào)制信號(hào)，我們就可以實(shí)現(xiàn)透過(guò)散射介質(zhì)的聚焦或成像。

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

波前整形技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，比如生物醫(yī)學(xué)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(zhì)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(fù)雜介質(zhì)中的傳播路徑，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的精密操控。它還可以讓我們利用散射介質(zhì)作為新型的光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能的增強(qiáng)和拓展。

審核編輯：劉清