研究员提出超快全息聚焦方法，将2D-SLM转换为超快1D-SLM

小编刘卫华 | 分类：论文 | 2024年4月22日

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31MHz刷新率的对焦控制

（映维网资讯）在3D激光扫描显微镜和激光微加工等领域，对焦控制能力一直是要求高时间和空间分辨率的光学技术的核心。然而，现有的变焦距透镜方案通常局限于微秒时间尺度的响应时间，并且存在响应时间和调谐功率之间的基本折衷。

在一项研究中，日本北海道大学和韩国科学技术院提出了一种超快全息对焦方法，通过线束扫描有效地将2D-SLM转换为超快1D-SLM。使用一对数字微镜设备和共振扫描仪，团队展示了前所未有的31MHz刷新率的对焦控制，这比数字微镜器件的开关速率快1000多倍。

实验同时表明，在5 mm × 5 mm × 5.5 mm的体积内，多个微米大小的焦点可以在超过1 MHz的范围内独立寻址，从而验证了所提出技术的优越时空特性-高时空精度，高调谐功率，以及在三维空间中的随机可及性。所演示的方案为在100 MHz范围内进行三维光操作提供了新的途径。

高速、精密的光学对焦控制一直是构建高时空分辨率光学系统的基础。3D激光扫描显微镜和激光微加工是其中突出的例子，高时空分辨率起着关键作用。传统而言，3D对焦控制是通过2D光束扫描仪和由压电致动器驱动的物镜来实现。在这种传统方案中，轴向对焦控制的速度通常比横向控制慢得多，因为它涉及体积庞大的对焦光学元件的精确机械定位。

为了克服这种速度差异，业界已经提出了许多变焦透镜方案。它们的工作原理大致分为机械调制、电光调制和声光调制。在机械类型中，通过静电或机械力直接调制变焦元件的形状。然而，由于需要精确的物理定位，操作速度通常限制在10kHz。

相比之下，基于EO和AO的方法直接通过电场或声场调制固定介质的折射率分布，理论可实现高达1 MHz的控制速度。然而，考虑到基本的限制因素，即实现超过1 MHz的操作速度非常具有挑战性。另外，轴向扫描功率限制了三维多光子显微镜和激光微加工的轴向扫描范围。同时，速度限制因素的影响随着变焦元件的孔径变大而变得更加明显，导致响应时间和调谐功率之间的基本权衡。

另一个实现主动对焦控制的途径是使用可编程空间光调制器SLM。与传统的可变元件不同，这种技术可以任意重新配置复杂的二维波前，所以不仅可以进行横向控制，同时能够以随机访问的方式进行轴向控制。随机访问能力允许在3D空间中选择所需点的照明。

遗憾的是，尽管拥有上述能力，但由于空间自由度有限（即独立可控像素的数量），SLM的调谐能力甚至更差。

有趣的是，与散射介质相结合，基于SLM的方法已证明具有优越的空间特性，拥有高NA对焦和极宽3D扫描范围。然而，对焦控制速度本质上受到传统SLM的时间自由度（即刷新率）的限制，与基于EO和AO的变焦透镜相比，其时间自由度通常要低几个数量级。

所以在研究中，日本北海道大学和韩国科学技术院提出了一种新的超快波前调制方法，通过线束扫描有效地将2D-SLM转换为超快1D-SLM。

通过将空间自由度重新分配到时间自由度的过程，所提出的方法将波前调制的速度放大了几千倍，超过了目前1D -SLM的速度限制两个数量级。利用散射介质作为全息对焦元件，团队进一步开发了一种3D对焦控制技术FLASH，并实现了高达31 MHz的3D对焦控制速度。利用FLASH聚焦技术，研究人员演示了微米级焦点的随机访问控制，轴向范围为0.01-10 mm，横向范围为5 mm × 5 mm，刷新率高于10 MHz，而这为具有极高空间复杂性和快速动态的光学询问开辟了新的机会。

在研究中，团队提出了一种将2D-SLM的大自由度空间以可调方式重新分配到时空域中的自由度的方法，从而实现了刷新率约为10 MHz，自由度空间值超过100的超快空间光调制。所述方法没有散射介质，可以作为通用的1D-SLM。结合散射介质，FLASH对焦技术可以在5 mm × 5 mm × 5.5 mm的可寻址体积实现微米级焦点的随机访问控制，最大刷新率为31 MHz。所演示的结果表明，在刷新率和调谐功率方面，它比现有的变焦透镜方案提高了一个数量级以上。

然而，与传统透镜不同的是，散射辅助透镜不能直接形成所需深度的整个二维平面的图像，这阻碍了它们在单透镜成像应用中的使用。另外，与传统的变焦透镜相比，散射辅助全息对焦通常与背景强度波动和较低的透射率有关。由于FLASH技术以牺牲自由度空间为代价提高了调制速度，所以它本质上产生了较小的焦对比度（即峰背景比），这将是成像应用中的限制因素。

不过，与传统的变焦透镜相比，全息对焦方案具有明显的优势，包括随机访问对焦、高调谐功率和大横向视场。考虑到FLASH对焦技术可以选择性地扫描目标位置，而不会浪费时间进行连续扫描，它将非常适合于非成像应用，例如激光微加工，光学镊子和细胞靶向活动监测和刺激过程。