光学记忆效应的一种物理图像

来源：中国激光

PR第11期Editors’ Pick：

Honglin Liu, Zhentao Liu, Meijun Chen, Shensheng Han, Lihong V. Wang. Physical picture of the optical memory effect[J]. Photonics Research, 2019, 7(11): 1323-1330

由于光学散射的存在，透过不透明介质成像一直是一个巨大的挑战。指数衰减的弹道光限制了传统几何成像方法在厚散射介质下的应用。在完全不同的领域，科研人员尝试了不同的方法，例如光学相位共轭、波前整形、自适应光学、散射矩阵测量和相关成像等来实现透过大光学厚度的散射介质成像。上述这些方法都需要复杂的系统排布和调试，数据采集也比较耗时。相比之下，散斑自相关成像简单快速，因而一被提出就吸引了大量的关注。散斑自相关成像中相机单次曝光，利用单幅图像中充足的独立散斑数进行空间系综平均提取信息。与之相对应的典型实验就是著名的HBT（Handury Brown-Twiss）实验，不同的是，HBT利用了时间系综平均。

散斑自相关成像的前提是光学记忆效应，即倾斜入射在散射介质上的相干光束，其散斑分布不变，只是整体发生平移。光学记忆效应这一概念最早是作为强度关联基于波导理论推导出来的，角度记忆效应的范围反比于介质厚度。角度记忆效应的范围决定了散斑自相关成像的视场，也是限制散斑自相关成像应用的瓶颈。最初的理论在各向异性散射介质中并没能很好的吻合实验。基于散射透射矩阵的宏观特征，研究人员从矩阵的相关性中提出了平移记忆效应的概念，并发现散射矩阵的傅里叶变换矩阵对应着角度记忆效应。更进一步地，在傍轴近似下，即光学厚度小且前向散射明显的情况下，统一了角度和平移记忆效应。最近，从透射本征通道的角度，研究人员发现把光耦合进高透通道可以提高记忆效应范围。但是，散射介质的各个因素在记忆效应中的作用仍不清楚。

中科院上海光机所的刘红林博士和她的合作者们提出了一种关于记忆效应的全新且非常直观的理解。研究工作发表在Photonics Research2019年第7卷第11期，被主编选为Editors’ Pick。

激光分别透过(a)光阑和(b)随机相位屏的传播。无散射和散射后的波前都随着入射激光的偏转而移动；(c)实验测量的记忆效应范围数据和优化后的多层屏模拟拟合很好，明显强于传统模型。

在这项工作中，通过比较激光透过光阑和随机相位屏的传播，研究人员发现了散斑的平移不变性，即光学记忆效应本质上是高阶的空间平移不变性。研究人员构建了模拟散射介质的基本单元，即双层随机相位屏结构，并推导了更为准确的计算记忆效应范围的公式。通过空间功率谱密度联系起随机相位屏和散射介质层，研究人员给出了散射系数、散射次数、介质厚度、各向异性因子在记忆效应中的定量描述，并分析了不同散射成分，如弹道光、单次散射光、两次散射光等的记忆效应范围。另外，由于综合考虑了不同的散射成分，优化后的多次相位屏模型更为贴近实际的散射介质，为介质内或透过介质的光的相干传播模拟提供了有力的工具。

本文共同通讯作者、加州理工学院的汪立宏教授认为，这一物理图像和其衍生出来的多层相位屏模型为深入探索基于记忆效应的现象和波前敏感的技术提供了有力的工具。此项研究在生物医学成像、经不透明介质成像、光动力治疗、散射介质内或透过散射介质的光操控等领域中有应用价值。未来的工作将聚焦于提高记忆效应范围以扩大散斑自相关成像的应用范围，发现一些新的现象或者发展新的成像/操控的方法。