西安光机所光学成像研究取得进展 实现入射光经散射介质后重聚焦

西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室发文称，2019年2月18日出版的美国光学学会旗下著名光学期刊《Optics Express》同时刊登了西安光机所瞬态室姚保利研究组的三篇研究论文，分别为：实现了大尺寸昆虫自然色三维高分辨率定量成像的《Large-scale 3D imaging of insects with natural color》、实现了透过散射介质后对微粒的实时光学微操纵的《Real-time optical manipulation of particles through turbid media》、实现了近场叠层成像术的三维空间优化的《Three-dimensional space optimization for near-field ptychography》。

《Optics Express》刊登西安光机所瞬态室姚保利研究组三篇研究论文

美国科学家Arthur Ashkin凭借发明光学镊子获得了2018年诺贝尔物理学奖的一半，而Ashkin激光捕获和操纵微粒是在透明和无散射介质中进行的。当光学系统中有散射介质存在时，成像目标难以在像面清晰呈现，激光也难以聚焦成为一个焦点。目前有多种方法来克服散射的影响，其中最常用的方法是利用光场调控器件和相应的优化算法对经过散射介质后的光场进行调控。遗传算法具有收敛速度快，抗噪声能力强的优势已经被广泛应用于散射介质后的光场聚焦和成像，然而遗传算法在实际应用中依然存在一些问题，比如随着优化的进行，其收敛速度逐渐变慢，噪声对最终聚焦结果影响较大，优化结果受探测器动态范围限制等。近年来，随着相关技术的成熟，已有研究者将波前矫正技术和光学捕获结合，实现利用散射光场对微粒的捕获，但是此类技术在散射介质后产生的聚焦光场质量不高，而且无法实现在散射介质后特定目标点对微粒的捕获，也无法在散射介质后沿特定路径对粒子进行操控，灵活性以及应用场合受到限制。 

为了实现对经过散射介质后光束的高质量聚焦并将其应用于实际，姚保利研究组提出了一种相间分区域波前校正方法，实现了入射光经过散射介质后单点和多点的重新聚焦。将该方法和光镊技术结合，可以对散射介质后单一粒子和多个粒子的同时捕获，并且可以实现在散射介质后某一平面内沿特定轨迹对微粒的操纵。与传统遗传算法相比，该方法具有收敛速度快、聚焦强度高、对探测器动态范围需求小的优点，大大提高了光经过散射介质后的聚焦效果，不仅可以应用于光学微操纵，而且可以应用于其它相关领域，为散射介质后的物体成像、深层样品荧光显微成像以及散射介质后的光场调控提供了有效手段。  

姚保利研究员带领的团队多年来一直致力于新型光学成像及光学微操纵新方法、新技术和新仪器的研究和开发，已在PRL、PRA、OL、OE等国际知名期刊上发表了200多篇研究论文，授权多项国家发明专利。研究团队曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖，陕西省重点科技创新团队等荣誉称号。2013年在国际上首次提出并实现了基于数字微镜器件（DMD）和LED照明的结构光照明显微成像技术，分辨率达到90nm，该成像设备已成功应用于多项生命科学研究之中。研究团队先后为国内外多所大学研制了多套激光光镊微操纵仪，设备性能稳定可靠，获得了用户的普遍好评。