脉冲激光透过散射介质再聚焦及其影响因素

王福娟， 和河向， 李佼洋， 蔡志岗

(1．中山大学 物理学院 物理国家级实验教学示范中心，广州 510275；2.佛山科学技术学院，广东 佛山 528000)

0 引 言

光经过散射介质发生散射扩散的现象普遍存在于自然界中。生物组织由于结构组成和折射率的不均匀性，会对入射光产生不同程度的散射扩散；海水和大气中因为含有不同成分和尺寸的颗粒物质，其对入射光的散射扩散作用使光传输距离受限，导致信号检测和成像困难[1-3]。脉冲激光由于具有较高的峰值功率和聚焦功率密度，广泛应用于激光治疗和激光测量等领域，然而，由于散射介质的散射扩散作用，光脉冲能量很难在散射介质中长距离输送和高效率的聚焦。利用光折变晶体或数字全息器件的光学相位共轭技术可以实现散射介质后目标区域的光束聚焦和成像，优点是相位恢复速度快，但是光路系统相当复杂[4-5]。用实验方法测量散射系统的传输矩阵，再通过逆向求解也可以得到入射光场的性质，然而要精确测量出系统的散射矩阵却是一个非常复杂的过程[6-7]。利用空间光调制器(SLM)对入射光场进行波前/相位调控[8-10]，可以精确地补偿介质散射导致的相位畸变，克服散射效应的影响，实现光能量的最优化传输和指向性汇聚，在生物医学测量、光学捕获等领域具有广泛的应用前景[11-13]。本文针对脉冲激光设计了一套自适应反馈同步控制波前调控装置，可以克服介质散射作用的影响，使入射光透过散射介质后指向性的高效聚焦。

1 光场调控相位补偿聚焦原理

按照惠更斯-菲涅尔原理，入射光与散射体发生作用时，每个散射核心都可以看作一个以一定的概率和分布向外辐射的次级波源，这些次级波源发出的球面波继续和其他散射核心作用，经过多次散射后，最终所有次级波源的相干叠加形成了散射光的波前分布。散射光场看上去杂乱无章，却是一个确定的物理过程，对于给定的散射介质和一个确定的输入光场，其输出散射光场是确定的。如果能使散射场中的某一点(或多点)的所有波矢量都在同一方向上干涉相长，杂乱的散射光场就可以在这一点(或多点)上重新聚集。通过对入射光场的相位分布进行调整，使散射体出射光束到达目标点时相位一致，这就是相位调制散射光聚焦的基本原理。

如图1所示，实验中利用液晶空间光调制器把入射光离散成N个可以独立控制的小单元，通过分别调控这些单元光的相位，补偿散射体导致的相位改变。传输光场在目标区域的场分布Em是N个光场的线性叠加：

式中：An和φn分别是空间光调制器调控的第n束光的振幅和相位;tmn是散射系统的传输矩阵，它表征散射系统的透射和传输性质。当上式右侧所有项处于相位一致状态时，目标区域光场发生相长干涉，形成聚焦亮斑。目标区域光场聚焦后所能达到的光强增强因子正比于空间光调制器的可控制单元数量[8]，也和目标区域CCD探测器的动态范围有关。通过对目标点(即CCD探测器中心区域)位置距离的主动选择，可以实现散射光束的指向性的传输和汇聚。

图1 相位调制使散射光相长干涉形成聚焦点

2 实验装置

如图2所示是脉冲激光波前调控透过散射介质聚焦实验系统原理图。脉冲激光器采用的是YAG电光调Q纳秒激光器，倍频输出532 nm绿光，脉宽约30 ns，重复频率10 Hz，单脉冲输出能量约30 mJ。脉冲激光经过偏振控制和扩束准直后投射到反射式液晶空间光调制器的液晶面板。经过SLM相位调制的光波经过4f系统后入射到光学散射体，散射体后的光场信号被CCD接收探测。实验中用的光学散射体是Newport公司生产的照明光源用光扩散器，通常采用表面压模的方法制作而成。光路中的CCD、计算机以及SLM共同组成一套闭环的自适应控制系统，通过自编的LabVIEW程序来控制CCD信号读取和SLM相位图加载，通过遗传算法迭代搜寻最优化的补偿相位分布。选择CCD中心区域4×4像素作为目标区域，以目标区域的光强平均值作为遗传算法搜寻最优化相位的反馈信号。实验中所用SLM像素分辨率为1 920×1 080，总像素数即可控单元数为207.36万，然而实验中为了降低对电脑CPU和内存的需求，也为了缩短相位搜索时间，把20×20个像素捆绑作为一个单元来使用，使整个SLM的可控单元数降低为96×54=5 184个。

图2 脉冲光波前调控聚焦系统光路

图3 激光脉冲和CCD的触发和同步信号

实验系统需要一个同步控制系统来控制激光器脉冲的输出和CCD反馈探测系统的同步采集。实验中，采用一台双路数字信号发生器产生两路TTL信号,分别触发控制CCD的开启和激光器的脉冲输出，并需要调节两路信号之间的延时，实现对目标区域光强信号的同步采集。如图3所示，信号发生器一个通道输出的TTL电平上升沿触发CCD启动;另一个通道输出的TTL电平上升沿触发激光器产生脉冲光。因为CCD在外触发工作模式下需要一个预置帧周期(约6.63 ms)之后才能启动，所以需要提前触发启动CCD，实验中通常设置CCD触发信号的上升沿比激光器触发信号的上升沿提前7.5 ms，确保激光脉冲到来时CCD已经开启。因为ns激光脉冲信号持续时间非常短，所以CCD积分时间也要尽量短，以避免环境背景光的干扰。空间光调制器则无需同步，保持刷新率60 Hz变换加载不同的相位分布对入射光场进行相位调控。

3 实验结果

实验中脉冲激光经过散射体后形成的散斑场如图4(a)所示，可见散射后的光场分布杂乱无规，亮暗区域边界模糊、对比度差，并非高质量的干涉散斑。通过SLM变换加载不同的随机相位分布作用于入射光场，发现出射散斑分布变化不明显，证实波前调控效果较差；运行自适应波前调控聚焦程序，如图4(b)、(c)所示，经历100次遗传算法迭代过程，目标区域只达到4.3倍的光强增强，没有实现高效率的干涉聚焦。

(a) 低相干激光形成的部分相干散斑

(b) 波前调控聚焦效果

(c) 遗传算法自适应迭代过程

前期研究发现，对于相干性非常好的连续激光，如氦氖激光，透过标准光散射体后会形成非常高质量的散斑场，光场相位调控效果也较好。实验测试发现，此实验中的脉冲激光器输出模式含有很多高阶横模成分，输出激光光强分布很不均匀，而且随脉冲实时变化。通常情况下激光不同横模之间的相位关系是不确定的，所以横模之间基本不相干。根据惠更斯原理和散斑干涉原理，散射体对光的散射可以看成次级波源之间的干涉，经过散射体后每一点光源的空间相干性对散斑的质量有重要影响，因此，入射光源的相干性和散射体的性质都对出射散斑性质有着决定性的影响。完全相干光源照射下形成的散斑为完全相干散斑或正态散斑，部分相干光源照射下，则产生部分相干散斑[14-15]。

4 光源相干性对光场波前调控聚焦影响

为了解决所用脉冲激光相干性差的问题，采取腔内选模的方式选出低阶横模，排除高阶横模影响，再用空间滤波的方式排除高频杂散光的影响。

横模选择方法一般分为两类：①通过改变谐振腔的结构和参数使得各横模衍射损耗差别增大，提高谐振腔本身的选模性能；②通过在谐振腔内插入附加的选模元件限制高阶横模的震荡来实现低阶横模的选取。现有实验条件下，选择插入小孔光阑作为选模元件的方案。小孔光阑可以使光斑尺寸较小的基横模无阻挡地通过，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻挡而遭受较大损耗。但是这种选模方法的缺点是因为高阶模被抑制输出，导致激光输出能量严重降低。实验中，综合权衡输出光斑质量和输出脉冲能量两方面因素，最终选用直径2 mm小孔在腔内选择保留最低阶的几个横模，选模后532 nm脉冲输出能量由30 mJ降低为3 mJ左右，选模后激光透过散射体形成的散斑质量得到明显提高，散斑颗粒明显，亮暗对比度较高，如图5(a)所示。

为了进一步提高光束质量，采用空间滤波技术排除多横模和杂散光的影响。一般的空间滤波器小孔是采用不锈钢材料，对于纳秒脉冲激光，物镜聚焦后能量密度很大，可能导致小孔边缘被击穿产生等离子体，一方面等离子体喷射引起等离子体堵孔效应，导致光束不能顺利过孔，引起光束质量下降，更严重的是导致小孔损坏。实验中选用了能够承受较大功率密度的铍铜合金制作的小孔。滤波后光束质量得到进一步提升，经过散射体后形成的激光散斑如图5(b)所示。由于进一步滤除了一些横模和杂散光成分，脉冲能量进一步下降，约为选模后输出能量的1/3，即1 mJ左右。此时运行波前调控自适应聚焦程序，形成的聚焦光斑和迭代优化过程如图6所示，实现了较高效率的光场调控和光束聚焦，最大达到120倍的光强增强因子。

(a) 选模后

(b) 选模再滤波后

(a) 聚焦光斑分布

(b) 最优化相位搜索过程

将选模和滤波前后的光场调控自适应聚焦过程作对比，如图7所示。很明显看出,选模后的聚焦过程比未选模时快速高效，继续做空间滤波后聚焦过程又得以大幅度改进。可见激光相干性越好，光场调控聚焦效果越好，这是由光场波前调控干涉聚焦的原理决定的。另外，对比连续光波前调控自适应聚焦过程，发现脉冲光自适应迭代过程反复跳跃，可能跟脉冲激光模式以及功率不稳定有关。

图7 选模/滤波前后聚焦优化过程的对比

因此，进一步的实验可以采用单横模且稳定性更高的脉冲激光器，较高的激光相干性可以确保达到更好的聚焦效果；利用脉冲激光峰值功率高的特点进一步提高散射介质后聚焦点处的功率密度以实现光热效应。另外，由于脉冲激光具有很高的峰值功率，为避免对空间光调制器的损伤以及因液晶分子的非线性效应所致的非线性相位调制，需要控制入射到空间光调制器上的脉冲激光能量。

5 结 语

本文研究了纳秒脉冲激光波前调控透过散射介质再聚焦的实验方法，包括自适应最优化相位搜索系统中脉冲激光和反馈探测系统的同步问题，以及光源相干性对相位调控透射聚焦效果的影响。采用激光腔内选模和空间滤波的方式提高光源的相干性，显著提高散射光场聚焦效率，达到了较高的目标区域功率增强因子，此实验揭示了高质量大功率脉冲激光透过散射介质后重新聚焦作用于光热材料产生热效应的可能性。