光場(chǎng)波前調(diào)控及其在散射介質(zhì)中聚焦特性的研究

1、光場(chǎng)波前調(diào)控及其在散射介質(zhì)中聚焦特性的研究隨著激光技術(shù)應(yīng)用的不斷深入,光束波前調(diào)控技術(shù)在光學(xué)微操控、顯微成像及微納結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文以波前的多維度調(diào)控為主線,系統(tǒng)論述了通過(guò)振幅、相位、頻譜和偏振等自由度下的調(diào)控,重點(diǎn)研究了特殊模式的光束生成方法和空間傳輸性質(zhì)等關(guān)鍵問(wèn)題,以及在不同領(lǐng)域中的研究進(jìn)展和應(yīng)用。然后,在基于高性能和轉(zhuǎn)換頻率的數(shù)字空間光調(diào)制器工作基礎(chǔ)上,運(yùn)用不同算法的全息術(shù)制備了具有不同特征和空間結(jié)構(gòu)的新型光束,并研究了這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)光束在空間中傳播時(shí)表現(xiàn)的特殊性質(zhì),這些研究工作為復(fù)雜光場(chǎng)的波前調(diào)控技術(shù)在不同領(lǐng)域里的應(yīng)用與發(fā)展奠定了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。特別是,光在動(dòng)物組

2、織等強(qiáng)散射介質(zhì)中傳播時(shí),其波前信息由于組織中細(xì)胞的無(wú)序運(yùn)動(dòng)而被隨機(jī)打亂,嚴(yán)重限制了相干光學(xué)的進(jìn)一步應(yīng)用;尤其是在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中,散射效應(yīng)嚴(yán)重限制了顯微成像與微操縱的質(zhì)量和深度,使得難以在深度活體組織中進(jìn)行有效的檢測(cè)和診斷。因此,調(diào)控光束在散射介質(zhì)中的傳輸是生物光學(xué)等領(lǐng)域的重要課題。針對(duì)這一光學(xué)里的難題,本論文運(yùn)用波前調(diào)制手段來(lái)對(duì)光在散射介質(zhì)中的傳播得以有效調(diào)控并實(shí)現(xiàn)了光在散射介質(zhì)中有效聚焦。具體研究?jī)?nèi)容和取得的進(jìn)展如下:1.系統(tǒng)地論述了幾種基本的特殊模式光場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、空間傳輸特性及它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用,如具有橫向自加速特性的艾里(Airy)光場(chǎng),具有螺旋波面及奇點(diǎn)相位的渦旋(Vorte

3、x)光場(chǎng),具有無(wú)衍射傳輸效應(yīng)的貝塞爾(Bessel)光場(chǎng)。2.運(yùn)用數(shù)字微鏡器件和多種全息算法實(shí)現(xiàn)了特殊結(jié)構(gòu)光束的制備及其在空間分布的動(dòng)態(tài)調(diào)控,并對(duì)這些光束的空間傳輸性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。具體實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱艾里光束、完美渦旋光束、渦旋艾里光束及自加速尖端光束等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)光束的生成與空間傳輸性質(zhì)的研究;這些攜帶特殊結(jié)構(gòu)的混合光束可實(shí)現(xiàn)特定功能的微操控和特殊微納器件的制備等。3.將波前調(diào)控技術(shù)運(yùn)用于散射介質(zhì)聚焦特性的實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中,對(duì)光束在介質(zhì)中的傳輸性質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)有效地調(diào)控。具體研究了兩種光學(xué)調(diào)控方法,一種是利用光折變材料和四波混頻原理的傳統(tǒng)相位共軛調(diào)制技術(shù);另一種則是利用空間光調(diào)制器和計(jì)算全息法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)

4、字光學(xué)調(diào)控。4.此外,本論文還研究了基于上述兩種波前調(diào)控技術(shù)和聲光效應(yīng)的超聲編碼光學(xué)系統(tǒng),在散射介質(zhì)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)了有效的光學(xué)聚焦。另外,參與搭建了毫秒量級(jí)的散射介質(zhì)內(nèi)部聚焦系統(tǒng)。這些研究工作無(wú)疑為生物光學(xué)研究領(lǐng)域夯實(shí)了工作基礎(chǔ)。本論文的創(chuàng)新點(diǎn):1.制備了空間結(jié)構(gòu)不隨拓?fù)浜勺兓耐昝佬蜏u旋光束,對(duì)所用的Lee及超像素全息算法的保真率和效率進(jìn)行了比較和分析。此外,首次在理論上提出一種奇異自加速的多邊形光束,這種光束同時(shí)擁有兩種沿拋物線路徑傳輸?shù)闹靼杲Y(jié)構(gòu),這種新奇結(jié)構(gòu)特征在之前的文獻(xiàn)里未被研究過(guò),并運(yùn)用突變理論對(duì)光束的產(chǎn)生進(jìn)行了分析與解釋,以及對(duì)其空間傳輸性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的實(shí)驗(yàn)研究。2.在基于上述光束的研究基礎(chǔ)上,將渦旋項(xiàng)編碼到類艾里的光場(chǎng)表達(dá)式中,生成了多種混合型光束,如渦旋對(duì)稱艾里光束、渦旋圓艾里光束以及疊加態(tài)的渦旋圓艾里光束;這些光束的結(jié)構(gòu)及空間傳輸性質(zhì)能通過(guò)渦旋項(xiàng)的嵌入位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。3.參與了將波前調(diào)控技術(shù)用于散射介質(zhì)的聚焦特性研究,對(duì)光在介質(zhì)中的傳輸性質(zhì)進(jìn)行了精準(zhǔn)有效的調(diào)控;具體,在透過(guò)散射介質(zhì)的聚焦特性研究中,搭建了基于光折變材料的波前調(diào)控系統(tǒng)和數(shù)字波前調(diào)控系統(tǒng),提高了光學(xué)聚焦的質(zhì)量和深度。這些研究成果展現(xiàn)出了光場(chǎng)波前調(diào)制方法在相干光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力;尤其是在生物(Biomedical)光學(xué)領(lǐng)域,運(yùn)用波前調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了透過(guò)生物組織等強(qiáng)散射介質(zhì)的聚焦及組織內(nèi)部的光學(xué)聚