王福娟， 和河向， 李佼洋， 蔡志崗

(1．中山大學(xué) 物理學(xué)院 物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣州 510275；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000)

0 引 言

光經(jīng)過散射介質(zhì)發(fā)生散射擴(kuò)散的現(xiàn)象普遍存在于自然界中。生物組織由于結(jié)構(gòu)組成和折射率的不均勻性，會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生不同程度的散射擴(kuò)散；海水和大氣中因?yàn)楹胁煌煞趾统叽绲念w粒物質(zhì)，其對(duì)入射光的散射擴(kuò)散作用使光傳輸距離受限，導(dǎo)致信號(hào)檢測和成像困難[1-3]。脈沖激光由于具有較高的峰值功率和聚焦功率密度，廣泛應(yīng)用于激光治療和激光測量等領(lǐng)域，然而，由于散射介質(zhì)的散射擴(kuò)散作用，光脈沖能量很難在散射介質(zhì)中長距離輸送和高效率的聚焦。利用光折變晶體或數(shù)字全息器件的光學(xué)相位共軛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)散射介質(zhì)后目標(biāo)區(qū)域的光束聚焦和成像，優(yōu)點(diǎn)是相位恢復(fù)速度快，但是光路系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜[4-5]。用實(shí)驗(yàn)方法測量散射系統(tǒng)的傳輸矩陣，再通過逆向求解也可以得到入射光場的性質(zhì)，然而要精確測量出系統(tǒng)的散射矩陣卻是一個(gè)非常復(fù)雜的過程[6-7]。利用空間光調(diào)制器(SLM)對(duì)入射光場進(jìn)行波前/相位調(diào)控[8-10]，可以精確地補(bǔ)償介質(zhì)散射導(dǎo)致的相位畸變，克服散射效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)光能量的最優(yōu)化傳輸和指向性匯聚，在生物醫(yī)學(xué)測量、光學(xué)捕獲等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[11-13]。本文針對(duì)脈沖激光設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)反饋同步控制波前調(diào)控裝置，可以克服介質(zhì)散射作用的影響，使入射光透過散射介質(zhì)后指向性的高效聚焦。

1 光場調(diào)控相位補(bǔ)償聚焦原理

按照惠更斯-菲涅爾原理，入射光與散射體發(fā)生作用時(shí)，每個(gè)散射核心都可以看作一個(gè)以一定的概率和分布向外輻射的次級(jí)波源，這些次級(jí)波源發(fā)出的球面波繼續(xù)和其他散射核心作用，經(jīng)過多次散射后，最終所有次級(jí)波源的相干疊加形成了散射光的波前分布。散射光場看上去雜亂無章，卻是一個(gè)確定的物理過程，對(duì)于給定的散射介質(zhì)和一個(gè)確定的輸入光場，其輸出散射光場是確定的。如果能使散射場中的某一點(diǎn)(或多點(diǎn))的所有波矢量都在同一方向上干涉相長，雜亂的散射光場就可以在這一點(diǎn)(或多點(diǎn))上重新聚集。通過對(duì)入射光場的相位分布進(jìn)行調(diào)整，使散射體出射光束到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)相位一致，這就是相位調(diào)制散射光聚焦的基本原理。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中利用液晶空間光調(diào)制器把入射光離散成N個(gè)可以獨(dú)立控制的小單元，通過分別調(diào)控這些單元光的相位，補(bǔ)償散射體導(dǎo)致的相位改變。傳輸光場在目標(biāo)區(qū)域的場分布Em是N個(gè)光場的線性疊加：

式中：An和φn分別是空間光調(diào)制器調(diào)控的第n束光的振幅和相位;tmn是散射系統(tǒng)的傳輸矩陣，它表征散射系統(tǒng)的透射和傳輸性質(zhì)。當(dāng)上式右側(cè)所有項(xiàng)處于相位一致狀態(tài)時(shí)，目標(biāo)區(qū)域光場發(fā)生相長干涉，形成聚焦亮斑。目標(biāo)區(qū)域光場聚焦后所能達(dá)到的光強(qiáng)增強(qiáng)因子正比于空間光調(diào)制器的可控制單元數(shù)量[8]，也和目標(biāo)區(qū)域CCD探測器的動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)。通過對(duì)目標(biāo)點(diǎn)(即CCD探測器中心區(qū)域)位置距離的主動(dòng)選擇，可以實(shí)現(xiàn)散射光束的指向性的傳輸和匯聚。

圖1 相位調(diào)制使散射光相長干涉形成聚焦點(diǎn)

2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示是脈沖激光波前調(diào)控透過散射介質(zhì)聚焦實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。脈沖激光器采用的是YAG電光調(diào)Q納秒激光器，倍頻輸出532 nm綠光，脈寬約30 ns，重復(fù)頻率10 Hz，單脈沖輸出能量約30 mJ。脈沖激光經(jīng)過偏振控制和擴(kuò)束準(zhǔn)直后投射到反射式液晶空間光調(diào)制器的液晶面板。經(jīng)過SLM相位調(diào)制的光波經(jīng)過4f系統(tǒng)后入射到光學(xué)散射體，散射體后的光場信號(hào)被CCD接收探測。實(shí)驗(yàn)中用的光學(xué)散射體是Newport公司生產(chǎn)的照明光源用光擴(kuò)散器，通常采用表面壓模的方法制作而成。光路中的CCD、計(jì)算機(jī)以及SLM共同組成一套閉環(huán)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過自編的LabVIEW程序來控制CCD信號(hào)讀取和SLM相位圖加載，通過遺傳算法迭代搜尋最優(yōu)化的補(bǔ)償相位分布。選擇CCD中心區(qū)域4×4像素作為目標(biāo)區(qū)域，以目標(biāo)區(qū)域的光強(qiáng)平均值作為遺傳算法搜尋最優(yōu)化相位的反饋信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中所用SLM像素分辨率為1 920×1 080，總像素?cái)?shù)即可控單元數(shù)為207.36萬，然而實(shí)驗(yàn)中為了降低對(duì)電腦CPU和內(nèi)存的需求，也為了縮短相位搜索時(shí)間，把20×20個(gè)像素捆綁作為一個(gè)單元來使用，使整個(gè)SLM的可控單元數(shù)降低為96×54=5 184個(gè)。

圖2 脈沖光波前調(diào)控聚焦系統(tǒng)光路

圖3 激光脈沖和CCD的觸發(fā)和同步信號(hào)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要一個(gè)同步控制系統(tǒng)來控制激光器脈沖的輸出和CCD反饋探測系統(tǒng)的同步采集。實(shí)驗(yàn)中，采用一臺(tái)雙路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路TTL信號(hào),分別觸發(fā)控制CCD的開啟和激光器的脈沖輸出，并需要調(diào)節(jié)兩路信號(hào)之間的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域光強(qiáng)信號(hào)的同步采集。如圖3所示，信號(hào)發(fā)生器一個(gè)通道輸出的TTL電平上升沿觸發(fā)CCD啟動(dòng);另一個(gè)通道輸出的TTL電平上升沿觸發(fā)激光器產(chǎn)生脈沖光。因?yàn)镃CD在外觸發(fā)工作模式下需要一個(gè)預(yù)置幀周期(約6.63 ms)之后才能啟動(dòng)，所以需要提前觸發(fā)啟動(dòng)CCD，實(shí)驗(yàn)中通常設(shè)置CCD觸發(fā)信號(hào)的上升沿比激光器觸發(fā)信號(hào)的上升沿提前7.5 ms，確保激光脈沖到來時(shí)CCD已經(jīng)開啟。因?yàn)閚s激光脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間非常短，所以CCD積分時(shí)間也要盡量短，以避免環(huán)境背景光的干擾。空間光調(diào)制器則無需同步，保持刷新率60 Hz變換加載不同的相位分布對(duì)入射光場進(jìn)行相位調(diào)控。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中脈沖激光經(jīng)過散射體后形成的散斑場如圖4(a)所示，可見散射后的光場分布雜亂無規(guī)，亮暗區(qū)域邊界模糊、對(duì)比度差，并非高質(zhì)量的干涉散斑。通過SLM變換加載不同的隨機(jī)相位分布作用于入射光場，發(fā)現(xiàn)出射散斑分布變化不明顯，證實(shí)波前調(diào)控效果較差；運(yùn)行自適應(yīng)波前調(diào)控聚焦程序，如圖4(b)、(c)所示，經(jīng)歷100次遺傳算法迭代過程，目標(biāo)區(qū)域只達(dá)到4.3倍的光強(qiáng)增強(qiáng)，沒有實(shí)現(xiàn)高效率的干涉聚焦。

(a) 低相干激光形成的部分相干散斑

(b) 波前調(diào)控聚焦效果

(c) 遺傳算法自適應(yīng)迭代過程

前期研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相干性非常好的連續(xù)激光，如氦氖激光，透過標(biāo)準(zhǔn)光散射體后會(huì)形成非常高質(zhì)量的散斑場，光場相位調(diào)控效果也較好。實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，此實(shí)驗(yàn)中的脈沖激光器輸出模式含有很多高階橫模成分，輸出激光光強(qiáng)分布很不均勻，而且隨脈沖實(shí)時(shí)變化。通常情況下激光不同橫模之間的相位關(guān)系是不確定的，所以橫模之間基本不相干。根據(jù)惠更斯原理和散斑干涉原理，散射體對(duì)光的散射可以看成次級(jí)波源之間的干涉，經(jīng)過散射體后每一點(diǎn)光源的空間相干性對(duì)散斑的質(zhì)量有重要影響，因此，入射光源的相干性和散射體的性質(zhì)都對(duì)出射散斑性質(zhì)有著決定性的影響。完全相干光源照射下形成的散斑為完全相干散斑或正態(tài)散斑，部分相干光源照射下，則產(chǎn)生部分相干散斑[14-15]。

4 光源相干性對(duì)光場波前調(diào)控聚焦影響

為了解決所用脈沖激光相干性差的問題，采取腔內(nèi)選模的方式選出低階橫模，排除高階橫模影響，再用空間濾波的方式排除高頻雜散光的影響。

橫模選擇方法一般分為兩類：①通過改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)使得各橫模衍射損耗差別增大，提高諧振腔本身的選模性能；②通過在諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件限制高階橫模的震蕩來實(shí)現(xiàn)低階橫模的選取?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，選擇插入小孔光闌作為選模元件的方案。小孔光闌可以使光斑尺寸較小的基橫模無阻擋地通過，而光斑尺寸較大的高階橫模卻受到阻擋而遭受較大損耗。但是這種選模方法的缺點(diǎn)是因?yàn)楦唠A模被抑制輸出，導(dǎo)致激光輸出能量嚴(yán)重降低。實(shí)驗(yàn)中，綜合權(quán)衡輸出光斑質(zhì)量和輸出脈沖能量兩方面因素，最終選用直徑2 mm小孔在腔內(nèi)選擇保留最低階的幾個(gè)橫模，選模后532 nm脈沖輸出能量由30 mJ降低為3 mJ左右，選模后激光透過散射體形成的散斑質(zhì)量得到明顯提高，散斑顆粒明顯，亮暗對(duì)比度較高，如圖5(a)所示。

為了進(jìn)一步提高光束質(zhì)量，采用空間濾波技術(shù)排除多橫模和雜散光的影響。一般的空間濾波器小孔是采用不銹鋼材料，對(duì)于納秒脈沖激光，物鏡聚焦后能量密度很大，可能導(dǎo)致小孔邊緣被擊穿產(chǎn)生等離子體，一方面等離子體噴射引起等離子體堵孔效應(yīng)，導(dǎo)致光束不能順利過孔，引起光束質(zhì)量下降，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致小孔損壞。實(shí)驗(yàn)中選用了能夠承受較大功率密度的鈹銅合金制作的小孔。濾波后光束質(zhì)量得到進(jìn)一步提升，經(jīng)過散射體后形成的激光散斑如圖5(b)所示。由于進(jìn)一步濾除了一些橫模和雜散光成分，脈沖能量進(jìn)一步下降，約為選模后輸出能量的1/3，即1 mJ左右。此時(shí)運(yùn)行波前調(diào)控自適應(yīng)聚焦程序，形成的聚焦光斑和迭代優(yōu)化過程如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了較高效率的光場調(diào)控和光束聚焦，最大達(dá)到120倍的光強(qiáng)增強(qiáng)因子。

(a) 選模后

(b) 選模再濾波后

(a) 聚焦光斑分布

(b) 最優(yōu)化相位搜索過程

將選模和濾波前后的光場調(diào)控自適應(yīng)聚焦過程作對(duì)比，如圖7所示。很明顯看出,選模后的聚焦過程比未選模時(shí)快速高效，繼續(xù)做空間濾波后聚焦過程又得以大幅度改進(jìn)?？梢娂す庀喔尚栽胶茫鈭稣{(diào)控聚焦效果越好，這是由光場波前調(diào)控干涉聚焦的原理決定的。另外，對(duì)比連續(xù)光波前調(diào)控自適應(yīng)聚焦過程，發(fā)現(xiàn)脈沖光自適應(yīng)迭代過程反復(fù)跳躍，可能跟脈沖激光模式以及功率不穩(wěn)定有關(guān)。

圖7 選模/濾波前后聚焦優(yōu)化過程的對(duì)比

因此，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)可以采用單橫模且穩(wěn)定性更高的脈沖激光器，較高的激光相干性可以確保達(dá)到更好的聚焦效果；利用脈沖激光峰值功率高的特點(diǎn)進(jìn)一步提高散射介質(zhì)后聚焦點(diǎn)處的功率密度以實(shí)現(xiàn)光熱效應(yīng)。另外，由于脈沖激光具有很高的峰值功率，為避免對(duì)空間光調(diào)制器的損傷以及因液晶分子的非線性效應(yīng)所致的非線性相位調(diào)制，需要控制入射到空間光調(diào)制器上的脈沖激光能量。

5 結(jié) 語

本文研究了納秒脈沖激光波前調(diào)控透過散射介質(zhì)再聚焦的實(shí)驗(yàn)方法，包括自適應(yīng)最優(yōu)化相位搜索系統(tǒng)中脈沖激光和反饋探測系統(tǒng)的同步問題，以及光源相干性對(duì)相位調(diào)控透射聚焦效果的影響。采用激光腔內(nèi)選模和空間濾波的方式提高光源的相干性，顯著提高散射光場聚焦效率，達(dá)到了較高的目標(biāo)區(qū)域功率增強(qiáng)因子，此實(shí)驗(yàn)揭示了高質(zhì)量大功率脈沖激光透過散射介質(zhì)后重新聚焦作用于光熱材料產(chǎn)生熱效應(yīng)的可能性。