結構光在生物組織中的傳輸研究綜述

摘要：光在生物組織中的應用受到越來越多的關注。結構光因其獨特的光學特性，在生物組織傳輸中具有重要的理論和應用價值。為深入研究其機制，一方面需要建立完善的數學仿真模型來模擬傳輸過程，另一方面也需要進行科學的實驗來驗證模擬結果。結合最新研究進展，系統梳理和分析了結構光在生物組織中的傳輸特性，為未來的相關研究提供了理論支持和實踐參考。首先，介紹了生物組織的特點和結構光的種類；然后，以結構光的分類為切入點，總結了頻率/波長、偏振、振幅、相位，以及渦旋結構和相干結構等對光在生物組織中傳輸效應的影響，并分析了其在生物組織傳輸中的最新研究進展；最后，指出了該領域當前研究中存在的問題和不足，并對其發展前景和方向進行了展望。

關鍵詞：生物組織；結構光場；光傳輸；相干結構

中圖分類號：O 437 文獻標志碼：A

引 言

自1960 年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光因其獨特的性質而迅速在各個領域得到廣泛應用。近年來，隨著光學的快速發展，激光在生物醫學領域的應用變得愈加重要。科學家對生命體的探索也在日益深入，他們通過控制激光的不同結構來觀察其在生物組織中的傳輸特性及各種現象。因此，生物光子學[1]、組織光學[2]、光生物學[3] 等光與生命科學相結合的學科也應運而生。研究光與生物組織的相互作用可以有效促進醫學領域的發展，并有助于人們理解光生物效應[4]，這對于人們開發新的治療方法，理解光對生物體的影響至關重要。

在過去幾年中，有關結構光的研究得到了飛速的發展，人們對于光的維度[5] 的理解也在不斷加深。從特定的空間結構到如今的可以定制的時空結構，這些變化使結構光在光通信[6]、光鑷[7]、光學傳感[8] 等領域都取得了突破性進展。結構光指通過特定模式在空間、時間等不同維度上進行調控后得到的光場。光子擁有高度的自由性，包括但不限于頻率/波長、偏振、振幅、相位等結構特性（如圖1 所示），通過調控這些物理維度可以實現多種光的相關應用。對光波進行時空結構裁剪可以產生各種特殊光束，如渦旋光束、拉蓋爾–高斯（Laguerre Gaussian，LG）光束、貝塞爾光束等。

關于光與生物組織的相互作用，國內外已有大量學者進行了綜述，并取得了豐富的成果。Tuchin[9-10] 總結了激光與生物組織相互作用的基本特征和原理。Khan 等[11] 詳細探討了光在生物組織傳輸中的折射率情況，進一步揭示了光在復雜介質中的行為規律。Cheong 等[12] 和Jacques 等[13]則系統總結了生物組織中光學特性的研究進展，為光學模型的構建提供了重要支持。此外，G?k?e 等[14] 綜述了生物組織湍流對光波傳播的影響，為理解光在動態生物環境中的行為提供了新的視角。在應用方面，He 等 [15] 探討了偏振光在生物醫學與臨床領域中的重要價值。呂晨陽等[16]總結了不同類型的生物組織光熱效應模型，為光熱治療技術的發展提供了參考。賴溥祥等[17] 重點分析了近年來光聲結合技術和光學波前整形技術在生物組織操控、成像及光學計算中的應用探索。此外，俞婷婷等[18] 從離體組織光透明方法、大組織器官標記方法、三維整體成像技術3 個方面，對整體器官的光透明成像技術進行了全面綜述。

盡管以上研究為光與生物組織相互作用的理解提供了重要依據，但從國內外文獻來看，關于結構光在生物組織中傳輸的系統性綜述仍然較少。特別是近年來，隨著各種特殊結構光（如渦旋光束、矢量光束等）的研究逐漸成熟，其在生物組織中的傳輸特性和作用機制得以更清晰地呈現。研究表明，利用結構光的特性不僅能夠揭示光與生物組織相互作用的復雜規律，還能為醫學診斷和治療提供全新的解決方案。基于當前研究現狀，未來關于結構光與生物組織相互作用的研究可以重點關注以下幾個方向：（1）生物組織對復雜光場的調制作用[19-21]。探索生物組織對特殊結構光的散射、吸收和偏振調控機制，并開發相應的理論模型，這對于理解結構光在復雜生物介質中的傳輸規律具有重要意義。（2）結構光在生物組織中的動態行為[22-23]。研究結構光在動態生物環境（如運動的細胞、流動的血液等）中的傳輸特性，評估其在復雜生物體系中的應用潛力，這將有助于揭示光與動態組織之間的相互作用。（3）新型光學治療和診斷技術的開發[24-25]。利用結構光的高自由度特性，探索其在精準醫療中的創新應用。例如，基于特定光場的靶向治療、非侵入式成像技術等，可為臨床醫學提供更加高效和安全的方法。（4）人工智能與結構光的結合[26-29]。將機器學習與光場調控技術相結合，開發實時建模與優化方法，實現對結構光與生物組織相互作用的精準預測與控制，這將為復雜生物環境中的光學應用提供智能化解決方案。

深入研究結構光在生物組織中的傳輸機制不僅能深化人們對光與生命科學結合前沿的理解，還能進一步推動生物醫學光學技術的革新。例如，利用結構光的特性可以優化現有的成像和治療方案，甚至開發出全新的光學工具，為解決生命科學領域的重大問題提供新思路和新方法。

1 結構光在生物組織中的傳輸

1.1 不同頻率/波長結構光在生物組織中的傳輸

根據波長的不同，可將電磁波劃分為多種類型。在傳統光學領域中，研究通常集中在可見光及其附近的波長范圍內。然而，隨著生物光子學的快速發展，科學家們的研究已超越可見光，擴展到更廣的波長范圍， 如太赫茲（ terahertz，THz）波段[30]。這種擴展研究不僅推動了光學理論的發展，也為生物組織中的光傳輸提供了新的應用場景。

在激光治療[31] 領域，不同波長的光在生物組織中的傳輸特性備受關注。例如，Barbosa 等[32]研究了不同波長低能量激光治療（low level lasertherapy， LLLT）的衰減系數。他們使用波長為660，830和904 nm 的光照射大鼠和豬的皮膚、脂肪及肌肉組織，測量光束的衰減系數。結果顯示，隨著組織厚度的增加，光的透過率顯著減小。其中，904 nm 波長的光在大鼠皮膚和豬脂肪、肌肉組織中的衰減較小，而830 nm 波長的光在豬皮膚中的衰減最小。這表明，不同波長的光在不同生物組織中具有不同的衰減特性，這為臨床選擇合適的治療波長提供了依據。

Kaub 等[33] 也對激光治療的波長選擇進行了研究。他們使用波長為905 nm 和1 064 nm 的激光，分析了它們在新鮮豬皮和牛肌肉組織中的穿透深度。研究者利用超聲波設備測量了組織樣本的厚度，并采用兩種商用激光治療裝置進行了光傳輸實驗。結果顯示，1 064 nm 波長的激光在穿透組織上部10 mm 厚度時表現較好，但在深層組織中，光束的脈沖模式和峰值模式對傳輸效果的影響更為顯著。這些研究為激光治療裝置的設計優化提供了有價值的數據支持。近年來，激光治療的應用已廣泛擴展至多個領域，如脫發治療[34]、放射性骨壞死治療[35]、傷口愈合[36] 等，這說明激光治療在臨床實踐中具有一定的優勢和潛力。除了激光治療，不同波長的光在生物檢測中的應用也有重要的研究價值。例如，Feng 等[37]利用1 300～1 800 nm 的多波長光聲技術測量骨膠原蛋白含量，評估骨骼健康狀態。這種基于光譜特性的檢測方法為疾病診斷和生物組織分析提供了新的手段。此外，利用人工智能，研究人員能夠更加精確地選擇光的波長，從而實現更為準確的醫學成像[28]。

在神經科學領域，光學神經調控技術[38] 近年來取得了顯著進展。傳統的光遺傳學技術[39-40]雖然具有高時空分辨率和細胞類型特異性，但由于腦組織對光的散射和吸收能力較強，其在深腦區域的應用受到限制，通常需要依賴光纖的插入。這種操作會帶來組織損傷、炎癥和感染的風險，從而影響實驗設計的靈活性和結果的準確性。為解決這一問題，研究人員將相關研究重點逐漸轉向長波長的光。

長波長的光（如近紅外光）具有更強的組織穿透力和更低的光毒性，因此成為了光神經調控的重要研究對象[41]。此外，光的次級效應（如光熱、光聲和光電化學效應）也被用于神經調控[42-44]。例如，結合納米材料的光轉導器可以實現更高的時空分辨率，同時最大程度地減少組織損傷。這種技術的進步為深腦區域的非侵入式光學神經調控提供了新的可能性。在波長范圍的拓展中，有關 THz 波段的研究也逐漸受到大家的關注。太赫茲光譜技術結合太赫茲成像技術[45]，為生物組織分析和疾病診斷提供了全新的工具。Zhang 等[46]對太赫茲生物技術在神經科學領域的發展進行了系統總結，并探討了其潛在應用。Martins 等[47]綜述了從深紫外到太赫茲波段的寬光譜范圍內，生物組織光學特性的測量方法和結構研究進展，為廣波段光學技術在生物醫學中的應用奠定了基礎。此外，Cherkasova 等[48] 展示了近年來有關太赫茲波細胞生物效應的研究成果。這些研究表明，太赫茲波具有獨特的非侵入式檢測能力。但當前人們對太赫茲輻射的生物安全限值的了解較為有限，其臨床應用仍面臨挑戰。

從可見光到近紅外光，再到太赫茲波段，不同波長結構光在生物組織中的傳輸研究不斷推動著生物光子學的發展。這些研究不僅拓展了光學技術的應用邊界，也為醫學診斷、激光治療、光學神經調控等領域提供了新的解決方案。未來，隨著光學技術的不斷進步，長波長的光和太赫茲波的應用有望突破現有技術瓶頸，為生物醫學研究帶來更多創新和突破。

1.2 不同偏振結構光在生物組織中的傳輸

偏振光在結構光研究中的重要性不容忽視。與隨機振動的非偏振光相比，偏振光在穿透生物組織時表現出獨特的散射和吸收現象[49-52]。這些現象不僅為理解生物組織的光學特性提供了全新的理論視角，也為醫療成像和疾病診斷開辟了新的技術路徑。研究偏振光在生物組織中的傳輸規律，既有助于提升成像質量，又為新型光生物學技術[53] 的發展奠定了理論基礎。在早期研究中，Sankaran 等[49-50] 設計了一套偏振光測量系統，利用He–Ne 激光器、光彈調制器、偏振片、波片、光電探測器和鎖相放大器等設備，測量了不同偏振狀態下的光強度。他們重點分析了線偏振光和圓偏振光在豬組織樣本和采用不同大小的聚苯乙烯微球懸浮液模擬的生物組織樣本中的散射和去偏振效應。研究結果表明，在生物組織中線偏振光比圓偏振光更容易去極化（即偏振狀態變得不再特定）。這說明生物組織對不同偏振光的作用機制存在顯著差異。

近年來，針對偏振光的去偏振效應，Meglinski等[54] 進一步開展了相關研究。他們深入探討了偏振光在復雜生物組織環境中的傳輸規律，并提供了關鍵的實驗數據支持。Lopushenko 等[55] 關注了圓偏振光在渾濁類組織內部的去偏振現象，發現多次散射會導致圓偏振光的偏振退化。然而，他們的研究同時表明，在無序介質中，由于優先散射的相互作用，圓偏振光仍然能夠表現出一定程度的偏振記憶效應。這種現象與散射過程中自旋角動量守恒密切相關，為理解偏振光在復雜介質中的行為提供了新的物理視角。

有關偏振光的研究并不局限于理論分析和數值模擬，其在生物組織微觀結構表征中的應用研究也日益增多。例如，Mueller 矩陣已經成為表征生物組織微觀結構特征的重要工具，它對組織微觀結構的變化高度敏感，能顯著提高成像的質量和對比度。同樣，在微觀結構分析領域，Song等[56] 開發了一種連續Stokes 成像系統。該系統能夠以秒級刷新率快速跟蹤組織在光學透明化過程中微觀結構的變化。這一高效成像技術為實時觀測生物組織動態變化提供了重要手段。此外，Pardo等[57] 使用Mueller 矩陣成像系統研究了皮膚、骨骼肌、結締組織和脂肪的偏振特性。Chen 等[58] 開發了Mueller 矩陣偏振成像系統，揭示了生物組織偏振特性的機械穩定性。該研究對病理結構的精確診斷具有重要意義。

在實際應用中，偏振光技術也被廣泛用于生物組織病理變化的研究。例如，Stoilova 等[59] 利用 Zeta–20 偏光顯微鏡和 635 nm 半導體泵浦固體激光器，研究了人肺組織標本中病變（如黑肺病、肺結核、流感性肺炎、肺梗塞及惡性腫瘤）組織的偏振特性（如圖2 所示）。通過測量光束的基本偏振參數（如方位角、橢圓率角、偏振度和照明功率），他們分析了光在與生物組織相互作用后的偏振狀態的變化。這些研究不僅揭示了病變組織的光學特性，還為疾病的快速檢測和診斷提供了新的光學手段。此外，偏振光在生物組織中的傳輸機制還涉及其與生物組織之間復雜的相互作用。Tuchin[60] 系統總結了生物組織偏振各向異性的內在根源，并結合理論和實驗深入探討了偏振光與生物組織的相互作用機制。他對隨機和準有序組織中的單次散射與多次散射的特征進行了分析，揭示了偏振光在復雜介質中的主要交互特性。這些研究不僅有助于深化人們對偏振光傳輸規律的理解，還為基于偏振光的成像和診斷技術提供了重要的理論支撐。

有關偏振光在生物組織中的傳輸的研究加深了人們對生物組織光學特性的理解，并為醫療成像和疾病診斷提供了重要技術支持。這類研究從對散射和去偏振效應的探索，到在微觀結構表征與醫學診斷、遙感監測等領域的實踐應用，都展現出不斷拓展的技術潛力。

1.3 不同復振幅結構光在生物組織中的傳輸

振幅與相位調控對光在生物組織中的傳輸研究具有重要意義。生物組織的強散射特性是限制光學成像深度的主要原因。特別是表層結構的散射效應會顯著削弱成像的質量。為克服這些困難，波前整形技術應運而生。Vellekoop 等[61] 于2007 年首次引入了這一技術。其核心原理是利用入射波與發射波之間的確定性關系，通過調控入射波的相位或振幅來補償散射介質引起的失真，從而實現目標位置的光聚焦。在這個過程中，空間光調制器[62] 成為最常用的工具。近年來，Wu 等[63] 提出了一種基于數字微鏡器件的新型光學儀器。它具有高刷新率和多調整模式的特點，在生物組織成像中展現出顯著優勢。同期，Li 等[64] 對波前整形技術的最新進展進行了系統性總結，為該領域的研究提供了新的見解。

在早期研究中，Chance 等[65] 利用散射和吸收測量技術，深入探討了人體組織的光學特性。他們提出，通過測量光的振幅和相位，可以計算出人體組織的吸收系數和散射系數，進而揭示生物組織的光學本質。這些研究為波前整形技術奠定了理論基礎，并為其在復雜生物組織中的應用提供了重要支持。近年來，May 等[66] 開發了一種快速收斂的動態自適應散射補償全息術，并將其應用于高度散射的小鼠海馬組織的雙光子熒光成像，成像深度達到530 μm。這一方法不僅顯著提升了散射補償的效果，還為非侵入性成像的研究提供了新的方向。

此外，人工智能（artificial intelligence，AI）的引入進一步推動了復雜光學成像技術的發展。Park 等[67] 通過實驗展示了AI 在定量相位成像（quantitative phase imaging，QPI）中的廣泛應用，包括圖像重建、增強、分割、分類和跨模態轉換（如圖3 所示）。例如，深度學習方法在去除QPI圖像中的像差、斑點和相干噪聲等方面取得了卓越的成效，同時在細胞和病原體的分類中也表現出良好的準確性。AI 與QPI 的協同組合顯著提升了生物成像的性能，減少了數據處理的時間和成本，拓寬了QPI 在生命科學中的應用范圍。這種數據驅動的方法為未來生命科學領域的成像研究提供了重要支持。

除了散射補償與AI 技術的應用，研究者們在相位與振幅相互作用的探索上也獲得了重要進展。Telenkov 等 [68] 構建了基于頻率域光熱成像的非侵入性成像系統。該系統利用相干鎖相放大技術，結合參考信號與檢測信號的特定頻率成分，實現了對生物組織深度的高精度振幅與相位成像。這種技術解決了傳統光聲成像的成像深度有限的問題，為非侵入性診斷開辟了新路徑。另一方面， Zaitsev 等[69] 在光學相干彈性成像（optical coherence elastography，OCE）中優化了相位梯度測量方法，并結合模擬與實驗提出了降低噪聲影響的新策略，從而提高了應變圖的精度。這一方法為高分辨率生物組織成像提供了更為可靠的技術手段。

當前，有關不同復振幅分布的光在生物組織中傳輸的研究在不斷深入，并展現出巨大的應用潛力。通過精確調控光的振幅與相位特性，研究者能夠有效提高光在復雜生物介質中的傳播能力，從而提升成像質量與治療效果。波前整形技術、AI 算法和相位–振幅測量方法的持續進步不僅為基礎科學研究提供了新工具，也為臨床醫學帶來了新的可能性。

1.4 不同渦旋結構光在生物組織中的傳輸

攜帶軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的渦旋光束在粒子捕獲、成像、醫學診斷、微機械、自旋電子學和量子信息等領域有著廣泛應用。在過去20 年中，研究者們深入研究了渦旋光束在自由空間和介質中的傳播特性，并揭示了其相位奇異性和光學渦旋的特征[70-73]，這些研究為理解渦旋光束的獨特性質奠定了基礎。

與普通光束相比，渦旋光束在生物組織中的傳輸表現出獨特優勢。Liu 等[74] 研究發現，生物組織會對渦旋光束的部分性質產生影響。隨著傳輸距離的增加，渦旋光束的暗空心特征會逐漸減弱，渦旋光束逐漸演化為類高斯光束，這一變化對其在生物成像和診斷中的應用具有重要意義。Wang 等[75] 使用空間光調制器生成不同OAM 值的LG 渦旋光束，研究其在散射微珠和腦組織中的傳輸特性。結果顯示：在彈道區，含OAM和不含OAM 的光束的透過率無顯著差異；而在擴散區，OAM 值越高，光束透過率越大，這表明渦旋光束具有更強的穿透能力。

近年來，研究者進一步探討了不同渦旋光束在生物組織中的傳輸規律及潛在應用。Biton 等[76]以新鮮雞胸肉為實驗介質，研究了不同階數LG 光束的透過率。他們發現隨著光束拓撲荷數的增加，其在生物組織中的衰減系數逐漸減小，穿透性顯著增強。Li 等[77] 探討了渦旋光束的結構對其在生物組織中傳輸能力的影響。Fu 等[78] 討論了OAM 對渦旋光束穿透深度的影響。Meglinski等[79] 使用LG 光束對正常和癌變組織樣本進行實驗，發現LG 光束的OAM 在2 種組織中均得以保持，并產生了顯著的相移。此外，LG 光束對組織折射率變化的敏感性比普通光束高約1 000 倍，從而顯示出其在疾病診斷中的應用潛力。Mamuti等[80]進一步研究了渦旋光束在類似生物組織的隨機散射介質中的OAM 保持特性， 驗證了OAM 在散射傳輸中的記憶效應。

Mamani 等[81] 探討了不同氧含量下小腦組織對極化多極激光束OAM 傳輸的影響。他們研究了正常氧狀態[ 氧體積分數 = 21%] 和缺氧狀態[ = 7% ] 下小腦組織對不同極化和不同OAM 值光束的傳輸特性。實驗發現，光態（OAM 和極化）與腦組織的氧含量會共同影響光束的傳輸效率。光束在控制組（正常氧狀態）的小腦組織中的透過率高于缺氧組，并表現出區域性的多極矩相互作用。初步結果表明，OAM 光束在小腦組織中的傳輸受到組織拓撲結構和氧含量的顯著影響，這為進一步研究渦旋光束在活體組織中的應用提供了方向。

Khanom 等[82] 對攜帶OAM的LG 光束在復雜散射介質中的傳播進行了系統研究。他們利用改進的馬赫–曾德爾干涉儀以及蒙特卡洛（MonteCarlo，MC）模擬方法，分析了不同散射介質中LG 光束的強度和相位分布。研究表明：在低散射介質中，LG 光束能夠較好地保持OAM 和相位相干性；而在多散射介質中，LG 光束雖然部分特性受到影響，但仍保留一定的OAM 記憶效應。這說明，渦旋光束在復雜介質中的獨特傳輸特性可為光學通信和遙感等領域提供技術支持。

除光學特性外，渦旋光束對生物樣本的作用也受到了關注。He 等[83] 探討了不同OAM 光束對小球藻生長情況的影響。他們測試了不同角動量光束在小球藻藻液中的透過率，并進一步研究了這些光源對細胞密度、葉綠素含量及生物大分子合成的影響。結果表明，右旋光和攜帶OAM的光束在透過率上具有優勢，且OAM 光束顯著促進了蛋白質合成。這些發現為光生物技術的開發提供了新思路。

渦旋光束在生物組織中的傳輸特性及其廣泛應用前景為結構光的研究開辟了新領域。從穿透深度的提升到對生物組織的高靈敏度響應，渦旋光束展現出巨大的潛能。

1.5 不同空間相干結構光在生物組織中的傳輸

空間相干結構光與生物組織的相互作用一直是光學領域的研究熱點。通過精確調控光的時空相干性，研究者能夠獲得多種獨特的相干光束。這些光束在生物成像、光學操控和信息傳遞等方面具有重要的應用價值。相干光場的研究不僅推動了光學理論的發展，還為復雜生物介質中的光傳輸提供了新的技術路徑和應用前景。

在相關研究中，Duan 等[84] 探討了空間相干長度對高斯–謝爾模型（ Gaussian Schell model，GSM）渦旋光束在湍流生物組織中光譜偏移的影響。結果顯示，光束的空間相干性能夠加速光譜變化并減慢光譜跳躍。進一步研究表明，不同類型的部分相干光束，例如不攜帶渦旋位相和攜帶渦旋位相的隨機電磁GSM 光束[85-86] 以及部分相干圓刃型位錯光束[87-88] 等在生物組織中的傳輸存在顯著差異。這些研究為解析部分相干光在生物組織中的傳輸特性奠定了重要基礎。

Wu 等[89] 對比了3 種具有不同相干結構的部分相干光束，具體包括GSM、拉蓋爾–高斯謝爾模型（Laguerre Gaussian Schell model，LGSM）和貝塞爾–高斯謝爾模型（ Bessel Gaussian Schellmodel，BGSM）光束在生物組織湍流中的傳輸特性。研究表明，GSM 光束在組織湍流中的變化相對較小，表現出更好的穩定性。Ni 等[90] 研究了部分相干圓平頂高斯渦旋光束在組織中的傳輸特性，分析了各參數對平均強度和偏振度分布的影響，并探討了其在醫學成像和診斷中的潛在應用價值。而Zhang 等[91] 進一步研究了厄米高斯相關謝爾模型（Hermite Gaussian correlated Schellmodel，HGCSM）光束在組織湍流中的平均強度分布和光束質量，發現其對組織湍流的敏感性低于GSM 光束，并且在傳輸過程中不會表現出自分裂特性。Chib 等[92] 研究了部分相干廣義平頂雙曲余弦厄米高斯光束的傳輸行為，結果顯示，光束在生物組織中的輪廓逐漸趨向高斯分布，但在不同組織中表現出不同的穩定性。在大鼠肝組織中，光束能夠更長時間地保持甜甜圈形狀，而在小鼠肝組織中光束受湍流影響更大。

光學相干顯微鏡技術作為一種基于相干光學的高分辨率成像工具，在生物組織研究中發揮著重要作用。Min 等[93] 將光學相干顯微鏡與連續切片技術相結合，構建了連續光學相干顯微鏡（ serial optical coherence microscopy， SOCM） 系統，用于小鼠腦和腎組織的成像研究。他們選取腦成像模型和腎疾病模型，通過SOCM 系統獲取高分辨率和寬視野的三維成像數據，并利用多種圖像處理算法對組織內部結構進行定量分析，如腦組織的立體特征分析和腎血管體積變化的測量。與核磁共振成像和傳統組織學顯微鏡成像相比，SOCM 技術能夠在不需要標記或造影劑的前提下使天然3D 結構可視化，并能精確測定區域的體積。這一技術不僅在腦和腎組織的研究中展現出優勢，在其他器官的研究中也具有一定的潛力，特別是在與其他光學技術結合后，其應用邊界能得到進一步拓展。

由于生物組織折射率的波動，傳統光束在組織中的傳輸距離通常較短，且在傳播過程中光場的相干性和強度會迅速發生變化[13]。與傳統光束相比，相干光束在湍流條件下表現出更好的抗擾動能力。例如，廣義平頂光束和厄米高斯光束在復雜介質中的穩定性和傳輸效率均優于傳統光束。因此，相干與部分相干光束或許能成為應對生物組織散射和湍流影響的有效工具，為改善激光在組織中的信息傳遞和能量分布提供新思路。

隨著相干光束技術和光學相干顯微鏡的不斷發展，研究者能夠更深入地探討生物組織中的光學傳輸規律。這些技術不僅在基礎光學研究中扮演著重要角色，還為生物醫學的成像與診斷提供了全新的手段。

2 結論與展望

結構光具有高自由度和可調控性，為光與生物組織相互作用的研究提供了全新的視角。從頻率/波長、偏振、復振幅到相干性和時空結構的調控，結構光的多維特性為生物光子學、組織光學和光生物學等學科的研究注入了新的動力。本文系統梳理了結構光在生物組織中的傳輸效應及其應用潛力，歸納了不同類型光的傳輸特性和其在復雜組織環境中的行為規律，結合國內外研究成果討論了相關領域的研究方向及存在的問題。

近年來，關于光與生物組織相互作用的研究已取得了重要進展，例如：不同頻率/波長結構光的研究揭示了不同波長光在組織中的吸收、散射及透射規律，為激光治療、光學成像和光學神經調控等技術提供了理論依據；不同振幅、相位結構光在醫學成像方面表現出獨特優勢；偏振光及其調控特性在組織診斷和病變識別中具有重要應用價值；部分相干光束、渦旋光束等結構光在組織傳輸中表現出良好的穩定性和抗擾動能力，為研究復雜介質中的光學傳輸特性提供了有力支持。雖然科學家在相關研究中已取得顯著成果，但結構光在生物組織中的傳輸機制仍存在諸多未解決的問題，如結構光在復雜異質性組織中的動態行為，多層散射環境下光場的演化規律等。生物組織的復雜性和異質性會導致光傳輸過程中的散射和吸收效應難以被精確預測。盡管 Kolmogorov湍流模型[94] 等已成為相關研究的基礎工具，但現有數學模型和模擬方法仍難以全面描述組織的多尺度結構和動態散射行為，從而可能導致光場特性表征與實際情況之間存在偏差。與模擬研究相比，基于真實生物組織的實驗研究相對較少，且實驗設計往往在高度理想化或簡化條件下進行，難以全面反映真實生物環境中的復雜動態變化。例如，不同組織類型對光場的響應差異較大[13， 95]，但現有研究尚缺乏對多種生物組織及其動態特性的系統性分析。如何在動態環境中實現結構光的高效傳輸和精確調控，仍是未來研究中的關鍵性難題。針對這些不足，未來的研究可以聚焦于改進生物組織光學模型，提升實驗研究的真實性與多樣性，探索結構光在動態環境中的應用，推動人工智能與光學技術的融合，以及進行多學科合作等。