探索在密集散射介质中产生足够的非衍射光束

科学报告|(2022) 12:8824| https://doi.org/10.1038/s41598-022-12810-41 打开探索充足在密集散射介质中产生非衍射光束阿里夫夏福凯提, Nofel Lagrosas & 椎名达夫用于散射介质中光学传感的非衍射光束 (NDB) 的传播方法已得到广泛研究。然而，从显微成像的角度来看，这些方法可以实现高分辨率和长焦深。在这项研究中，我们专注于深度为几十厘米的活组织中的宏观传感。报道了一种基于传播距离和传输平均自由程之间的线性关系在密集散射介质中产生足够 NDB 的实验方法。对于不同直径的环形光束，NDB中心强度比的变化与实验结果相同。他们用理论分析来讨论。因此，可以在密集散射介质中的任意传播距离处估计足够生成的 NDB 的最大中心强度比。光学传感方法已广泛用于生物医学成像1和环境测量4.例如，光学相干断层扫描 (OCT) 是一种非侵入性眼科诊断技术，可呈现深度小于 2 毫米的密集散射介质（如生物医学组织）的体内横截面视图7.另一方面，对于远程传感，激光雷达被广泛用于测量大气粒子和分子的光学特性，这些粒子和分子的浓度低于生物医学组织10.具有环形强度分布的激光束在粒子捕获等多种应用中引起了广泛关注11, 生物细胞的激光操作12, 激光书写13, 显微镜14和激光雷达系统15.通常，由于衍射和散射的影响，光的传播稳定性会降低16.利用环形光束的自变换特性成为非衍射光束 (NDB) 是提高光束传播稳定性的一种方法17. NDB，也称为准贝塞尔光束，在有限的空间范围内保持其强度分布，而强度在光束传播的轴向范围内发生变化20.对 NDB 的几项研究表明，NDB 的主瓣在通过散射和吸收介质的传播过程中更加稳定22.由于主瓣的宽度比衍射极限窄，该 NDB 可用于高分辨率光学传感。另一方面，新开发银行具有在遇到障碍时自我重建的功能27.鉴于此优点，NDB 将为散射介质中的光学传感提供一个很好的替代解决方案。在最近的研究中，即使应用了 NDB，从显微成像的角度来看，散射介质的传感检测限也高达几毫米。为了建立对活体组织等散射介质的宏观传感，我们在之前的工作中关注了环形光束在密集散射介质中的传播特性29. NDB是在散射系数为几厘米的密集散射介质中传播几十厘米的距离下产生的−1，接近人体组织33.为实现散射介质的宏观感知，本文探讨了基于传播距离、介质浓度和光束尺寸的适当组合生成NDB的条件。因此，我们有以下目标：（1）探索不同直径环形光束的自变换特性在散射介质中产生NDB的趋势； (2) 利用散射介质中传播距离与传输平均自由程 (TMFP) 之间的线性关系来估计充分 NDB 生成的条件； (3)通过实验和理论方法建立NDB中心强度比与散射介质中传播距离之间的关系。在这里，我们将足够的 NDB 定义为在散射介质中一定传播距离下的最大中心强度。前一份出版物报道了散射介质中 NDB 生成的知识。这项工作报告了关于如何在不同的光束和媒体条件下生成足够的 NDB 的新发现。这将推断出有关 NDB 生成的共同特征的重要信息。千叶大学工学研究生院，日本千叶县稻毛区弥生町 1-33 263-8522。电子邮件：xapkat。 科学报告|(2022) 12:8824 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-12810-42图1。使用一对轴棱镜将高斯光束转换为不同直径的环形光束。左图和右图分别显示了直径为 10 mm（蓝色）和 40 mm（绿色）的高斯光束和环形光束的强度分布。方法和结果环形光束的产生可以通过菲涅耳波带片、轴棱镜和薄膜等多种方式实现34.然而，为了产生准直环形光束，将高斯光束照射到一对轴棱镜是一种有效的方法，可以轻松调整环形光束的强度和宽度37.当准直的高斯光束入射到第一个轴棱镜上时，贝塞尔高斯光束38形成，该光束通过第二个轴棱镜产生准直环形光束。布置一对具有相同顶角的轴棱镜，使两个尖端与入射光束处于同一光轴上。此外，Axicon 的大顶角确保光束具有与入射光束相同的偏振特性。取决于一对 Axicon 棱镜特性，环形光束的直径 dA 表示为d一个(r)=二维·tan [β(n−1)],(1)其中 D、n 和 β 分别是轴棱镜之间的距离、折射率和轴棱镜的顶角。环形光束的直径可以通过调整两个棱镜之间的距离D来改变，如图1所示。高斯光束的幅度分布uG（r）表示为1你G(r)=πω2经验−r2ω2,(2)其中 ω 是从中心到高斯分布幅度变为 e 的位置的距离−1 的中心值，r 表示垂直于光传播方向的平面的径向点。通过 Axicon 棱镜，圆环和高斯光束使用方程式相关联。 3、你G(R−r)2·2π(R−r)博士=你一个(r)2·2πrdr.(3)等式 3 表明，当高斯光束转换为环形光束时，它的总强度得以保留40.从入射光束到环形光束的变换函数 uA(r) 导出为R−r你(r)=你(R−r),(4)一个rG其中 R 和 r 分别是环形梁的外半径和内半径。图 2 显示了环形光束在散射介质中传播的实验系统示意图。表 1 显示了该系统中光学元件的规格。二极管泵浦固态 (DPSS) 脉冲激光器用于产生高斯光束。中性密度滤光片用于调整光束的光强度。具有大顶角 β = 150° 的轴棱镜用于保持入射光束的偏振和强度分布，并产生直径范围为 8 至 45 mm 的环形光束。在这项研究中，加工过的牛奶（乳脂 1.8% 和酪蛋白 2.4%）用纯水稀释以产生浓度为 0.1-30% 的致密散射介质。乳脂和酪蛋白的平均粒径约为1.1μm 和 0.1 μm 是这种散射介质中的主要散射体。介质的散射特性取决于乳脂，因为酪蛋白比乳脂小得多，可以忽略不计。由于 0.0066 cm 的小吸收系数而忽略了吸收−1培养基浓度为 40%41.使用不同的介质浓度和长度为 1、3、5、10、20 和 30 cm 的光学单元。接收器光学器件在光学单元之后检测散射介质中传播光的强度分布。接收单元采用孔径为 6 mm 的准直透镜和芯径为 50 μm 的多模光纤。该接收器的视角缩小到 5.5 mrad。由于入射光在散射介质中向各个方向散射，因此仅检测到前向散射光。测量沿垂直于光轴的线传播的光束的强度分布。光电倍增管（PMT R-636，Hamamatsu）和 科学报告|(2022) 12:8824 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-12810-433图 2。散射介质中环形光束传播的实验装置。放置在 DPSS 激光器前面的玻璃板 (GP) 将部分光反射到光电二极管 (PD)，触发信号由此产生获得。中性密度滤光片 (NDF) 和空间滤光片 (SF) 放置在轴棱镜之前。这对 Axicon 棱镜将高斯光束转换为环形光束。光源环形光束转换器接收者DPSS 激光器 CryLas，1A532-1Axicon prims：顶角 150° (± 10')多模光纤：芯径50 μm波长 532 纳米芯径 51 毫米准直镜头：镜头孔径 6 mm峰值功率 4.6 kW脉冲宽度 2 ns重复频率 10 kHz环形光束：直径范围 8 至 45 mm视角 5.5 mrad表格1。实验系统规范。高速采样示波器（DCA-J 86100C，Agilent）用于检测和记录散射光的强度分布。瑞利和米氏散射理论42描述了单个小粒子的散射特性。实际上，散射效应仅限于单次和多次散射，尤其是在密集散射介质中。 TMFP 定义为光传播到下一次碰撞的平均距离。因此，该参数可用于描述多重散射33. TMFP, l*, 量化为 1/μs (1-g)，其中 μs 是该散射介质中脂肪的散射系数。参数 g 是定义前向散射程度的各向异性因子，表示为πG=磷(θ)因θ·2π罪θdθ,0(5)其中 P(θ) 是散射角 θ 处的相位函数。 TMFP, l*, 然后可以用散射系数定义为l∗ 1=1,(6)μs1−G π一个2QN(一个)1 −G其中 N(a) 是单位体积内半径为 a 的粒子数，Q 是 Mie 或 Rayleigh 理论中的散射效率。单位体积中的粒子数 N(a) 表示为ñ(一个)=ρ米C米CF,4π一个2ρF(7)其中cf=1.8%是牛奶中脂肪的百分比； ρm=1.030 和 ρf = 1.035 分别是牛奶和脂肪的比重。这里，给定散射介质的参数，每单位体积的粒子数为 N(a) = 2.57 × 1016cm，其中 cm 是介质浓度，可以从 0 更改为 100%。图 3 显示了 TMFP 和从方程式获得的介质浓度之间的变化。 6 作为 l* = 5.304 × 10/厘米。当绘制介质浓度和 TMFP 的对数表示时，会产生线性关系。这种散射介质的光学特性可以通过介质浓度得出的 TMFP 值来讨论。例如，要实现小于 10 mm 的 TMFP，我们的散射介质中的介质浓度必须至少为 5%。在之前的工作中32，非衍射光束最大可达2.4 mm TMFP，接近人体肌肉的TMFP值33. 科学报告|(2022) 12:8824 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-12810-44图 3。传输平均自由程和介质浓度之间的变化从 0.1% 到 100%。图 4。当环形光束与（一个) 40 毫米和 (b) 10 mm 直径在 1 到 30 cm 不同长度的介质单元中传播。红色点划线表示区域 (一个) ± 3 毫米和 (b) ± 1 mm，用于将中心峰与山状展宽信号区分开来。这里，位置是指距光轴的距离。图 4 显示了直径为 (a) 40 mm 和 (b) 10 mm 的环形光束下前向散射光的横向强度分布。这些强度分布在 (a) 20 mm 和 (b) 距光轴 5 mm 处归一化，对应于入射环形光束的大小。主要的窄中心光强和中心光强下的山丘状加宽光强分别由前向和多重散射光构成。该中心峰不是 Arago 点，因为在其传播过程中，其宽度和强度在光学单元之后保持不变32.如下所述，这些中心峰是由向前方向散射的光束的相长干涉引起的 NDB29.图 4a 显示了在 0.4、0.6、1.0、5.0 和 22% 的介质浓度下产生的最大 NDB，它们在散射介质中的相应传播距离分别为 30、20、10、5 和 3 cm。在这里，NDB 出现在中心（0 mm 位置处的最大值），宽度约为 6 mm。然而，在直径为 40 mm 的环形光束的传播下，无法在 1 cm 的单元中生成 NDB。对不同直径环形光束在自由空间中传播特性的数值模拟表明，当环形光束直径越小时，在更短的距离内产生最大NDB44.此外，在具有恒定传播距离的散射介质的情况下，如果介质浓度低，预计可以从具有较小直径的环形光束的传播中产生 NDB。为了在实验中证明这一模拟结果，在传播实验中，入射环形光束的直径从 40 毫米变为 10 毫米。图 4b 显示了使用长度为 30 至 1 cm 的光学单元观察到的横向强度分布。最大 科学报告|(2022) 12:8824 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-12810-45图 5。从 40 毫米（正方形）和 10 毫米（空心圆）直径的环形光束获得的传输平均自由程和相对传播距离之间的关系。当每个传播距离的介质浓度从 0.2% 变化到 15% 时，就会出现 NDB。在 10 毫米光束直径的情况下，观察到 2 毫米宽的窄峰。与环形光束在自由空间中的传播特性相比，环形光束在散射介质中的传播具有相同的特性，即利用直径较小的环形光束，在较短的散射距离处产生最大的NDB中心强度。媒体。为了分析 TMFP 和传播距离之间的关系，TMFP 是使用方程推导出来的。 6 对于产生最大 NDB 的不同介质浓度。 图 5 显示了使用 40 mm 和 10 mm 直径的环形光束获得的 TMFP 与传播距离的实验结果。 黑色方块显示当直径为 40 mm 的环形光束在长度为 3 至 30 cm 的细胞中传播时，通过适当的介质浓度计算