将光有效的聚焦到或穿透不透明的散射介质对许多应用来说至关重要，例如光学成像、操纵、治疗、激发等。然而，由散射介质中的微观折射率不均匀引起的光学散射使得入射光的（行走）路径随机化，这对有效传递光强造成了巨大的挑战。为了克服这一挑战，（研究人员）正在积极开发和应用波前整形（wavefront shaping, WFS）方法来将光聚焦到或穿透散射介质。WFS通过调制入射波前使得不同行走路径的散射光子在目标位置相长干涉。WFS技术可以分为三类：基于反馈的波前整形、传输矩阵求逆、光相位共轭（optical phase conjugation, OPC）或光时间反转（optical time reversal）。前两类通过一般需要数千次测量的迭代过程来确定最佳的调制波前，这导致系统运行时间相当长。基于OPC的WFS方法通过干涉测量直接测量散射场的波前，随后生成测量波前的共轭版本作为最佳入射波前。因此，基于OPC的WFS方法可以实现快速光学聚焦到或穿透散射介质，在涉及动态样本的应用中很有前景。
Light Sci. Appl. :利用超声诱导的光场扰动将光聚焦到散射介质中
技术背景：
将光有效的聚焦到或穿透不透明的散射介质对许多应用来说至关重要，例如光学成像、操纵、治疗、激发等。然而，由散射介质中的微观折射率不均匀引起的光学散射使得入射光的（行走）路径随机化，这对有效传递光强造成了巨大的挑战。为了克服这一挑战，（研究人员）正在积极开发和应用波前整形（wavefront shaping, WFS）方法来将光聚焦到或穿透散射介质。WFS通过调制入射波前使得不同行走路径的散射光子在目标位置相长干涉。WFS技术可以分为三类：基于反馈的波前整形、传输矩阵求逆、光相位共轭（optical phase conjugation, OPC）或光时间反转（optical time reversal）。前两类通过一般需要数千次测量的迭代过程来确定最佳的调制波前，这导致系统运行时间相当长。基于OPC的WFS方法通过干涉测量直接测量散射场的波前，随后生成测量波前的共轭版本作为最佳入射波前。因此，基于OPC的WFS方法可以实现快速光学聚焦到或穿透散射介质，在涉及动态样本的应用中很有前景。
尽管通过散射介质对光进行聚焦在当前引起了很多人极大的兴趣，但将光聚焦到散射介质中而不是通过散射介质要更加的有实际用途，且更具有挑战性。对于散射介质的光学聚焦，通常需要导星（guidestar）来提供反馈以找到目标波前。已有的几种导星是：荧光导星、动态导星、超声导星。荧光导星和动态导星是侵入式的，因此不太适用于一般的应用。超声导星利用声光调制作为虚拟光源，在非侵入式散射介质内光学聚焦很有应用前景。
当前不足：
目前使用超声导星在散射介质中进行光学聚焦的技术被称为时间反转超声编码（time-reversed ultrasonically encoded, TRUE）光学聚焦，是由本文汪立宏组于2011年发明的（成果发表在nature photonics上）。简单来说，TRUE描述的是：当散射光子通过散射介质内的超声聚焦场时，一部分光子会发生频移，这部分光子称为超声标记光子；记录超声标记光子的光场，然后时间反转在超声焦点位置产生光学聚焦点。事实上，TRUE 光学聚焦与超声调制光学断层扫描 (UOT) 具有相同的本质，超声调制光学断层扫描是一种由超声辅助的光学成像技术——这两种技术都检测和分析散射介质内的频移光子，以确定声光相互作用体积。但是，超声标记光子通常是一阶超声衍射光子，仅占通过超声场焦点区域的所有光子的很小一部分。大多数光子保持频率不变并构成零阶衍射场，这通常被认为在 TRUE 光学聚焦中是无用的，甚至是有害的。
文章创新点：
鉴于超声调制的光学标记效率如此之低，值得思考频移光子是否是引导光学聚焦的最佳选择。美国加州理工学院的汪立宏组（Zhongtao Cheng：第一作者，汪立宏：通讯作者）提出一种新的机制，可以利用零阶光子作为信息载体来引导光聚焦到组织内。
原理解析：
（1）零阶光子尽管没有频移，但是在超声导星存在的时候会产生光场扰动。这个扰动是由于在样品中的超声聚焦处会诱导样品折射率发生变化和散射体发生位移引起的。这个扰动可以被探测到。
（2）当光子穿过散射介质中的聚焦光场时，光子发生衍射。n阶衍射光子的频率是f0+nfa, f0和fa分别是入射光子和超声的频率，n=0,±1,±2,…。一般来讲，衍射阶数越高，能量越低，大部分能量集中在零阶光子，一阶光子的能量为总能量的万分之一到千分之一。
（3）如图1a所示，关闭超声，激光入射散介质，散射光场和参考光束在数字光相位共轭（DOPC）系统的相机平面发生干涉，相机记录下干涉的全息图，其强度记为Em_off。
（4）如图1b，开启超声，记录下散射场和参考场的全息光强Em_on。此时的散射场由超声聚焦区域的零阶光子和超声聚焦区域外的光子组成。两个强度的差值Em_on-Em_off消除超声聚焦区域外的光子的贡献，只留下扰动场的贡献。
图1c，在SLM（空间光调制器）上生成Em_on-Em_off的共轭场，用回放光束照射SLM，即可生成一束时间反转的光束，这束光在超声的聚焦位置处会聚。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00605-7
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