脈沖激光透過散射介質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 物理學院 物理國家級實驗教學示范中心，廣州 510275；2.佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000)

0 引 言

光經過散射介質發生散射擴散的現象普遍存在于自然界中。生物組織由于結構組成和折射率的不均勻性，會對入射光產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，其對入射光的散射擴散作用使光傳輸距離受限，導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，廣泛應用于激光治療和激光測量等領域，然而，由于散射介質的散射擴散作用，光脈沖能量很難在散射介質中長距離輸送和高效率的聚焦。利用光折變晶體或數字全息器件的光學相位共軛技術可以實現散射介質后目標區域的光束聚焦和成像，優點是相位恢復速度快，但是光路系統相當復雜[4-5]。用實驗方法測量散射系統的傳輸矩陣，再通過逆向求解也可以得到入射光場的性質，然而要精確測量出系統的散射矩陣卻是一個非常復雜的過程[6-7]。利用空間光調制器(SLM)對入射光場進行波前/相位調控[8-10]，可以精確地補償介質散射導致的相位畸變，克服散射效應的影響，實現光能量的最優化傳輸和指向性匯聚，在生物醫學測量、光學捕獲等領域具有廣泛的應用前景[11-13]。本文針對脈沖激光設計了一套自適應反饋同步控制波前調控裝置，可以克服介質散射作用的影響，使入射光透過散射介質后指向性的高效聚焦。

1 光場調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，這些次級波源發出的球面波繼續和其他散射核心作用，經過多次散射后，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行調整，使散射體出射光束到達目標點時相位一致，這就是相位調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，通過分別調控這些單元光的相位，補償散射體導致的相位改變。傳輸光場在目標區域的場分布Em是N個光場的線性疊加：

式中：An和φn分別是空間光調制器調控的第n束光的振幅和相位;tmn是散射系統的傳輸矩陣，它表征散射系統的透射和傳輸性質。當上式右側所有項處于相位一致狀態時，目標區域光場發生相長干涉，形成聚焦亮斑。目標區域光場聚焦后所能達到的光強增強因子正比于空間光調制器的可控制單元數量[8]，也和目標區域CCD探測器的動態范圍有關。通過對目標點(即CCD探測器中心區域)位置距離的主動選擇，可以實現散射光束的指向性的傳輸和匯聚。

圖1 相位調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控透過散射介質聚焦實驗系統原理圖。脈沖激光器采用的是YAG電光調Q納秒激光器，倍頻輸出532 nm綠光，脈寬約30 ns，重復頻率10 Hz，單脈沖輸出能量約30 mJ。脈沖激光經過偏振控制和擴束準直后投射到反射式液晶空間光調制器的液晶面板。經過SLM相位調制的光波經過4f系統后入射到光學散射體，散射體后的光場信號被CCD接收探測。實驗中用的光學散射體是Newport公司生產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共同組成一套閉環的自適應控制系統，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化的補償相位分布。選擇CCD中心區域4×4像素作為目標區域，以目標區域的光強平均值作為遺傳算法搜尋最優化相位的反饋信號。實驗中所用SLM像素分辨率為1 920×1 080，總像素數即可控單元數為207.36萬，然而實驗中為了降低對電腦CPU和內存的需求，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的可控單元數降低為96×54=5 184個。

圖2 脈沖光波前調控聚焦系統光路

圖3 激光脈沖和CCD的觸發和同步信號

實驗系統需要一個同步控制系統來控制激光器脈沖的輸出和CCD反饋探測系統的同步采集。實驗中，采用一臺雙路數字信號發生器產生兩路TTL信號,分別觸發控制CCD的開啟和激光器的脈沖輸出，并需要調節兩路信號之間的延時，實現對目標區域光強信號的同步采集。如圖3所示，信號發生器一個通道輸出的TTL電平上升沿觸發CCD啟動;另一個通道輸出的TTL電平上升沿觸發激光器產生脈沖光。因為CCD在外觸發工作模式下需要一個預置幀周期(約6.63 ms)之后才能啟動，所以需要提前觸發啟動CCD，實驗中通常設置CCD觸發信號的上升沿比激光器觸發信號的上升沿提前7.5 ms，確保激光脈沖到來時CCD已經開啟。因為ns激光脈沖信號持續時間非常短，所以CCD積分時間也要盡量短，以避免環境背景光的干擾。空間光調制器則無需同步，保持刷新率60 Hz變換加載不同的相位分布對入射光場進行相位調控。

3 實驗結果

實驗中脈沖激光經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，亮暗區域邊界模糊、對比度差，并非高質量的干涉散斑。通過SLM變換加載不同的隨機相位分布作用于入射光場，發現出射散斑分布變化不明顯，證實波前調控效果較差；運行自適應波前調控聚焦程序，如圖4(b)、(c)所示，經歷100次遺傳算法迭代過程，目標區域只達到4.3倍的光強增強，沒有實現高效率的干涉聚焦。

(a) 低相干激光形成的部分相干散斑

(b) 波前調控聚焦效果

(c) 遺傳算法自適應迭代過程

前期研究發現，對于相干性非常好的連續激光，如氦氖激光，透過標準光散射體后會形成非常高質量的散斑場，光場相位調控效果也較好。實驗測試發現，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系是不確定的，所以橫模之間基本不相干。根據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，經過散射體后每一點光源的空間相干性對散斑的質量有重要影響，因此，入射光源的相干性和散射體的性質都對出射散斑性質有著決定性的影響。完全相干光源照射下形成的散斑為完全相干散斑或正態散斑，部分相干光源照射下，則產生部分相干散斑[14-15]。

4 光源相干性對光場波前調控聚焦影響

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構和參數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通過在諧振腔內插入附加的選模元件限制高階橫模的震蕩來實現低階橫模的選取。現有實驗條件下，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，導致激光輸出能量嚴重降低。實驗中，綜合權衡輸出光斑質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。

為了進一步提高光束質量，采用空間濾波技術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，可能導致小孔邊緣被擊穿產生等離子體，一方面等離子體噴射引起等離子體堵孔效應，導致光束不能順利過孔，引起光束質量下降，更嚴重的是導致小孔損壞。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。濾波后光束質量得到進一步提升，經過散射體后形成的激光散斑如圖5(b)所示。由于進一步濾除了一些橫模和雜散光成分，脈沖能量進一步下降，約為選模后輸出能量的1/3，即1 mJ左右。此時運行波前調控自適應聚焦程序，形成的聚焦光斑和迭代優化過程如圖6所示，實現了較高效率的光場調控和光束聚焦，最大達到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) 最優化相位搜索過程

將選模和濾波前后的光場調控自適應聚焦過程作對比，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，繼續做空間濾波后聚焦過程又得以大幅度改進。可見激光相干性越好，光場調控聚焦效果越好，這是由光場波前調控干涉聚焦的原理決定的。另外，對比連續光波前調控自適應聚焦過程，發現脈沖光自適應迭代過程反復跳躍，可能跟脈沖激光模式以及功率不穩定有關。

圖7 選模/濾波前后聚焦優化過程的對比

因此，進一步的實驗可以采用單橫模且穩定性更高的脈沖激光器，較高的激光相干性可以確保達到更好的聚焦效果；利用脈沖激光峰值功率高的特點進一步提高散射介質后聚焦點處的功率密度以實現光熱效應。另外，由于脈沖激光具有很高的峰值功率，為避免對空間光調制器的損傷以及因液晶分子的非線性效應所致的非線性相位調制，需要控制入射到空間光調制器上的脈沖激光能量。

5 結 語

本文研究了納秒脈沖激光波前調控透過散射介質再聚焦的實驗方法，包括自適應最優化相位搜索系統中脈沖激光和反饋探測系統的同步問題，以及光源相干性對相位調控透射聚焦效果的影響。采用激光腔內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，達到了較高的目標區域功率增強因子，此實驗揭示了高質量大功率脈沖激光透過散射介質后重新聚焦作用于光熱材料產生熱效應的可能性。