脈沖激光透過散射介質(zhì)再聚焦及其影響因素

王福娟， 和河向， 李佼洋， 蔡志崗

(1．中山大學(xué) 物理學(xué)院 物理國家級實驗教學(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，會對入射光產(chǎn)生不同程度的散射擴散；海水和大氣中因為含有不同成分和尺寸的顆粒物質(zhì)，其對入射光的散射擴散作用使光傳輸距離受限，導(dǎo)致信號檢測和成像困難[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]。用實驗方法測量散射系統(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非常復(fù)雜的過程[6-7]。利用空間光調(diào)制器(SLM)對入射光場進(jìn)行波前/相位調(diào)控[8-10]，可以精確地補償介質(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]。本文針對脈沖激光設(shè)計了一套自適應(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，每個散射核心都可以看作一個以一定的概率和分布向外輻射的次級波源，這些次級波源發(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，卻是一個確定的物理過程，對于給定的散射介質(zhì)和一個確定的輸入光場，其輸出散射光場是確定的。如果能使散射場中的某一點(或多點)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(或多點)上重新聚集。通過對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)點時相位一致，這就是相位調(diào)制散射光聚焦的基本原理。

如圖1所示，實驗中利用液晶空間光調(diào)制器把入射光離散成N個可以獨立控制的小單元，通過分別調(diào)控這些單元光的相位，補償散射體導(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)所有項處于相位一致狀態(tài)時，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)到的光強增強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探測器的動態(tài)范圍有關(guān)。通過對目標(biāo)點(即CCD探測器中心區(qū)域)位置距離的主動選擇，可以實現(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

2 實驗裝置

如圖2所示是脈沖激光波前調(diào)控透過散射介質(zhì)聚焦實驗系統(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被CCD接收探測。實驗中用的光學(xué)散射體是Newport公司生產(chǎn)的照明光源用光擴散器，通常采用表面壓模的方法制作而成。光路中的CCD、計算機以及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)域的光強平均值作為遺傳算法搜尋最優(yōu)化相位的反饋信號。實驗中所用SLM像素分辨率為1 920×1 080，總像素數(shù)即可控單元數(shù)為207.36萬，然而實驗中為了降低對電腦CPU和內(nèi)存的需求，也為了縮短相位搜索時間，把20×20個像素捆綁作為一個單元來使用，使整個SLM的可控單元數(shù)降低為96×54=5 184個。

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

實驗系統(tǒng)需要一個同步控制系統(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。實驗中，采用一臺雙路數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路TTL信號,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)兩路信號之間的延時，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域光強信號的同步采集。如圖3所示，信號發(fā)生器一個通道輸出的TTL電平上升沿觸發(fā)CCD啟動;另一個通道輸出的TTL電平上升沿觸發(fā)激光器產(chǎn)生脈沖光。因為CCD在外觸發(fā)工作模式下需要一個預(yù)置幀周期(約6.63 ms)之后才能啟動，所以需要提前觸發(fā)啟動CCD，實驗中通常設(shè)置CCD觸發(fā)信號的上升沿比激光器觸發(fā)信號的上升沿提前7.5 ms，確保激光脈沖到來時CCD已經(jīng)開啟。因為ns激光脈沖信號持續(xù)時間非常短，所以CCD積分時間也要盡量短，以避免環(huán)境背景光的干擾?？臻g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入射光場進(jìn)行相位調(diào)控。

3 實驗結(jié)果

實驗中脈沖激光經(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，證實波前調(diào)控效果較差；運行自適應(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倍的光強增強，沒有實現(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。實驗測試發(fā)現(xiàn)，此實驗中的脈沖激光器輸出模式含有很多高階橫模成分，輸出激光光強分布很不均勻，而且隨脈沖實時變化。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，散射體對光的散射可以看成次級波源之間的干涉，經(jīng)過散射體后每一點光源的空間相干性對散斑的質(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現(xiàn)低階橫模的選取?，F(xiàn)有實驗條件下，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是因為高階模被抑制輸出，導(dǎo)致激光輸出能量嚴(yán)重降低。實驗中，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。實驗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。此時運行波前調(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倍的光強增強因子。

(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)聚焦過程作對比，如圖7所示。很明顯看出,選模后的聚焦過程比未選模時快速高效，繼續(xù)做空間濾波后聚焦過程又得以大幅度改進(jìn)。可見激光相干性越好，光場調(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)化過程的對比

因此，進(jìn)一步的實驗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進(jìn)一步提高散射介質(zhì)后聚焦點處的功率密度以實現(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)再聚焦的實驗方法，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)域功率增強因子，此實驗揭示了高質(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。