透过散射介质光场多维度调控的理论研究
光在经过复杂介质传输之后，例如生物组织、浑浊的液体以及扰动的大气，其中光的多重散射会将入射光场的偏振、振幅以及相位信息完全扰乱，形成光学散斑场。我们基于传输矩阵方法提出了透过散射介质光场多维度调控模型，通过测量散射系统的矢量传输矩阵和同时调控入射光场两个正交偏振方向上的复振幅分布实现了透过散射介质对光场振幅、相位以及偏振分布的同时调制（图1），该模型从原理上提出了抗散射光场多参量调控方法[1]。
图1 透过散射介质对光场振幅、相位和偏振调制的原理与模拟结果[1]
透过散射介质二维（三维）光场强度和偏振调控的实验研究
实验上开发了多种基于散射介质的复杂波前调控技术，包括遗传算法、蝙蝠算法和传输矩阵方法，结合DMD优化入射光场的波前分布透过散射介质对二维光场偏振和强度分布进行调控[2-4]。进一步，我们研究了透过散射介质调控三维聚焦点的技术。该技术通过结合基于传输矩阵的点扩散函数和三维计算全息的方法，在实验上透过散射介质生成了任意的二维强度分布，并实现了聚焦点的长距离轴向扫描（图2），其轴向移动范围是记忆效应的20倍[4]。
图2 透过散射介质调控生成三维空间的聚焦点[4]
基于光散射的偏振全息显示（波前调控技术的应用）
我们进一步提出了部分矢量传输矩阵理论，该方法仅需要测量散射系统的部分矢量传输矩阵和通过调制单一线偏振入射光场的相位分布便可以实现透过散射介质对光场强度和偏振分布进行同时调控（图3）。我们将部分矢量传输矩阵方法和DMD快速动态切换的特性相结合，在实验上实现了透过散射介动态调控生成不同的矢量光场并应用于偏振光显示，利用偏振调控技术能够实现将不同的信息分别编码在两个正交偏振方向上[5]。
图3 透过散射介质动态调制生成矢量光场用于偏振显示[5]
强散射环境OAM光通信
光场携带的信息经过强散射介质或多模光纤后将会被严重扰乱，导致无法准确传输光场携带的信息。OAM光束具有承载无限数据信道的潜力，但是携带信息的OAM光束在经过光的多重散射后，只能探测到光学散斑，无法提取光场携带的信息。为此，我们基于波前调制技术开发了用于多路复用OAM信道中恢复散射数据的“散射矩阵辅助恢复技术”(SMART)。SMART平台可传输高保真图像，与此前的报道相比，误码率降低了21倍（图4）。该技术首次克服了自由空间光通信的散射问题，有望促进在恶劣大气条件或水下条件下的高质量光学数据传输[6]。
图4 强散射环境下OAM光通信示意图[6]
散射光场成像技术和透过多模光纤OAM光信息传输研究
我们基于散斑相关散射矩阵方法开发了散射光场成像技术，通过从透过散射介质后单次采集到的散斑强度信息中精准计算恢复出入射光场的复振幅信息[7]。我们进一步将该技术应用于透过单根多模光纤对传输光场的复振幅信息进行精准恢复，以及透过多模光纤利用复用的OAM模式实现了对彩色图像信息的高保真度传输，其数据传输的误码率低于0.72%（图5）。该技术成功克服了多模光纤中光信息传输遇到的散射问题以及复用OAM模式的解复用问题[7]。
图5 基于OAM的复用技术透过多模光纤对彩色图像信息的高保真度传输[7]
散射辅助的三维动态全息技术
我们发明了一种散射辅助的三维动态全息技术（Three-dimensional scattering-assisted dynamic holography, 3D-SDH)。3D-SDH利用光的多重散射极大提高了光学系统可调控空间频率的范围，同时开发散斑光场传输属性降低不同深度平面光场的相关性，将基于菲涅尔全息的投影深度分辨率提高3个量级以上，同时极大抑制了不同投影平面间图像的串扰。此外，光场的振幅、相位和偏振信息在散射过程中实现了耦合，3D-SDH进一步通过单个数字全息图实现了三维动态偏振全息显示。本研究提出的3D-SDH技术能够实现高密度、低串扰、大视角的三维动态全息投影，并且有望应用于全息显微成像、立体显示、投影光刻、信息存储、光学微操控等领域[8]。
图6 3D-SDH实现逼真三维全息投影的概念图[8]
基于波前调控技术研究深度组织细胞：激光在穿透活体深度组织后，由于光的多重散射无法在其内部实现聚焦，这是光镊技术在活体深度组织内研究细胞的最大障碍。为此，我们课题组正在研究将复杂介质波前调制技术应用于光学捕获，首先透过活体深度组织实现光聚焦，以实现对斑马鱼深度组织内的细胞进行光捕获和光操控研究。
参考文献：
[1] Panpan Yu, Qian Zhao, Hu Xinyao, Yinmei Li and Lei Gong. Tailoring arbitrary polarization states of light through scattering media[J]. Applied Physics Letters, 2018, 113(12): 121102.
[2] Ziqiang Wang, Qian Zhao, Panpan Yu, Jiamiao Yang, Yinmei Li, and Lei Gong. Bat algorithm-enabled binary optimization for scattered light focusing[J]. Applied Physics Express, 2019, 12(10): 102002.
[3] Qian Zhao, Ziqiang Wang, Panpan Yu, Yinmei Li, and Lei Gong. Vector focusing through highly scattering media via binary amplitude modulation[J]. Applied Physics Express, 2019, 12(6): 062002.
[4] Qian Zhao, Ziqiang Wang, Xin-Yao Hu, Panpan Yu, Ruishan Chen, Yinmei Li and Lei Gong. 3D focusing through highly scattering media using PSF modulation. Applied Physics Letters, 2018, 113(19): 191104.
[5] Panpan Yu, Yifan Liu, Yijing Wu, Ziqiang Wang, Yinmei Li and Lei Gong. Dynamic Polarization Holographic Projection Enabled by a Scattering Material-Based Reconfigurable Hologram. ACS Photonics 2022, 9, 11, 3712–3719.
[6] Lei Gong, Qian Zhao, Hao Zhang, Xinyao Hu, Kun Huang, Jiamiao Yang, Yinmei Li. Optical orbital-angular-momentum-multiplexed data transmission under high scattering[J]. Light: Science & Applications, 2019, 8(1): 1-11.
[7] Qian Zhao, Panpan Yu, Yifan Liu, Ziqiang Wang, Yinmei Li, and Lei Gong. Light field imaging through a single multimode fiber for OAM-multiplexed data transmission. Applied Physical Letter, 2020, 116(18): 181101.
[8] Panpan Yu, Yifan Liu, Ziqiang Wang, Jinyang Liang, Xingsi Liu, Yinmei Li, Chengwei Qiu, and Lei Gong. Ultrahigh-density 3D holographic projection by scattering-assisted dynamic holography. Optica. 10, 4, 481-490 (2023).
