照亮新视野： 精确导航非线性散射
发布时间：2023-09-01 09:51:39 阅读数： 59
散射矩阵法控制散射介质中的非线性光。资料来源：Xiangfeng Chen。
在错综复杂的光世界中，穿过非均质介质的过程往往会导致空间、时间、光谱和偏振的扭曲。这些畸变不利于光学操纵、成像和通信等应用，长期以来一直是一项挑战。波前整形技术（WS）是纠正线性光学中这些波畸变的有效工具。但这还不是全部。非线性增加了一个转折点，在从生物传感到光疗的各个领域都能发挥作用。现在，将非线性和 WS 这两种力量结合起来，就能打开前所未有的控制之门。
然而，现有的大多数设置都依赖于迭代反馈循环，耗费了大量的计算资源和时间。现在有了一种更智能的方法。据《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志报道，上海交通大学（SJTU）的一个团队开发出了一种散射矩阵（SM）方法，能够以最少的优化时间雕琢光输出。此外，散射矩阵法还能深入了解散射介质的介观特性，揭示记忆效应和传输特征通道。
上海交通大学的团队将这一概念进一步发扬光大。他们破解了确定嵌入二次非线性的散射介质的 SM 的密码。他们的方法使用 256x256 SM 维度，源自四相干涉测量法。他们利用光学相位共轭技术，将非线性信号哄骗到重新聚焦的单点和双点上，从而证明了这种方法的有效性。
想象一下，这是一场精心编排的光之舞--矩阵行的相位模式触发了精确的非线性聚焦。结果如何？总频产生的光斑在感兴趣的区域内舞动，每个光斑的强度相当，峰值与背景的比率约为 25。
通过基于 SM 的波前整形方法对非线性信号进行可重构聚焦。(a) 连接输入模式（横轴）和输出非线性模式（纵轴）的测量 SM。色调和亮度分别代表相位和振幅。计算出的相位模式（b）和位于 ROI 不同位置的相应焦点（c）。(d) 位于 ROI 不同子区域的非线性焦斑的强度横截面。资料来源：Advanced Photonics (2023)。DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046010
但这仅仅是开始。SM 方法具有无与伦比的非线性散射光控制能力。研究人员沿预定路径逐点扫描，调整相位模式切换速度，以微调扫描速度。他们的突破为通过高密度散射介质进行高分辨率扫描显微镜和粒子捕获提供了一扇大门。
通讯作者、上海先进光通信系统与网络国家重点实验室首席研究员陈险峰说："非线性散射介质的散射矩阵方法为非线性信号恢复、非线性成像、微观物体跟踪和复杂环境量子信息处理开辟了一条道路。
从本质上讲，这项工作重新想象了非线性散射。其影响涵盖非线性信号恢复、显微成像、通过散射介质进行跟踪，甚至深入到复杂环境中量子信息处理的复杂领域。光操纵的未来看起来令人惊讶地光明。
参考资料
Fengchao Ni et al, Nonlinear harmonic wave manipulation in nonlinear scattering medium via scattering-matrix method, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046010
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