散射介质普遍存在于自然界中，上至天体观测中云层和大气，下至深海探测中的浑浊海水；宏观的如雨水、烟雾，微观的如纸层、生物组织等。光子在上述介质中的传播，都将不可避免地经历散射过程。早期，人们普遍认为光子的散射是阻碍（组织内部）高分辨率深度成像和聚焦的限制因素，它不可避免，又无可奈何。随着百万像素级别空间光调制器的问世，以及调制和利用散射光子理念的提出，光场调控技术逐渐发展起来，为解决这一难题提供了新思路。

北京石油化工学院人工智能研究院的杨强光学成像课题组，近年来致力于散射介质深层成像的研究。为解决相关领域的关键科学问题和技术难题，发展了一系列深度成像的技术方法，在光子传输规律上研究了信号与传输通道之间的对应关系，结合主成分分析和奇异值分解算法，实现了多重散射光子与信号光的分离，并对散射介质的传输通道进行分析，重建散射介质的内部图像，研究光子的传输规律。相关成果已发表于Applied Physics Letters (https://doi.org/10.1063/1.5036661)和Optics Letters(https://doi.org/10.1364/OL.382898)上。

在此基础上，课题组采用波前调制技术，进一步深入研究了传输矩阵分析法在生物组织深层成像和光学聚焦中的应用，在实现组织内光学动态聚焦基础上，还计算获取了组织各层中光能会聚的强度分布，为实现光在组织中的快速精准聚焦打下了基础。

近日，课题组和海南大学曹靖副教授课题组、加州大学欧文分校陈忠平教授课题组的合作成果，发表在Light: Science & Applications上（课题组杨强博士为该文第二作者），论文链接见https://www.nature.com/articles/s41377-022-00795-8。该研究项目通过调制入射光的波前，优化光子在介质中的传输模式，将光能集中在自由通道中传输，可最大限度减小光能损耗，实现光束在散射介质内部的聚焦。该研究基于反射矩阵光学相干层析成像系统，通过构建样品的反射矩阵，对其实施奇异值分解实现了对不同属性光子的分离。同时依赖于波前整形技术，一部分散射光子将进入“自由通道”，这部分光子将保持接近100%的透射率直达目标区域，即会聚点。为观察这些光子在介质内部是否会聚，通过时间反演算法得到能量矩阵，它的功能就如同一个植入介质内部的虚拟相机，可以实现对光束能量分布的数值计算。

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图1 本项研究的原理和方法

图2 波前整形技术用于光学深层聚焦示意图

  本项研究揭示了光子在散射介质中的传播规律，为光在生物组织深处位置的聚焦和成像开辟了新思路。传统的光学相干层析成像技术，主要应用于人眼、皮肤等散射性较弱的生物组织。而新型的反射矩阵光学相干层析成像，拓展了该项技术在高散射组织中的应用，如透过小动物头盖骨的大脑皮层成像等，凸显了其在脑科学研究中的潜在价值。

论文信息

该研究成果以” Enhance the delivery of light energy ultra-deep into turbid medium by controlling multiple scattering photons to travel in open channels”为题在线发表在Light: Science & Applications。本论文的主要作者为曹靖（高聘副教授，海南大学）和杨强（助理教授，北京石油化工学院），汪平河（教授，电子科技大学）和陈忠平（教授，加州大学欧文分校）共同担任本文的通讯作者。

期刊介绍

《Light: Science & Applications》是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与中国光学学会共同主办，与Nature出版集团合作出版的全英文开放获取（OA）国际学术期刊。该刊于2012年3月29日创刊，2013年10月先后被国际著名检索系统SCI及全球最大文摘引文数据库Scopus收录，最新影响因子17.782，连续3年位于SCI收录的全球光学期刊影响因子榜前3位。该刊是自然出版集团在中国出版的第一本OA物理类期刊，致力于推动国球范围内的光学研究，刊载光学领域基础、应用基础以及工程技术研究及应用方面的高水平的最新研究成果，包括微光学、特种光学、光学材料及处理、光学元件制备、光学数据传输、光学测量、光学在生命科学及环境科学等领域的应用等方面的高质量、高影响力的原创性学术论文、News & Views、快报、展望和综述文章。