烈日当空、知了蝉鸣，和小伙伴们一起握着放大镜对准树叶上的那个亮点，静待树叶冒烟、燃烧、欢呼，那是孩童的我们第一次相信光的力量；张若虚在《春江花月夜》中吟出那句“斜月沉沉藏海雾”的时候，未曾想到几千年后的初中物理课堂上，我们开始学着站在科学的角度上，解读古人的浪漫，那是少年的我们开始探索光子散射的奥秘。
更古至今，散射介质都普遍存在于自然界中，上至天体观测中云层和大气，下至深海探测中的浑浊海水；宏观的如雨水、烟雾，微观的如纸层、生物组织等。光子在上述介质中的传播，都将不可避免的经历散射过程。早期，人们普遍认为——光子的散射是阻碍高分辨率成像技术实现深度成像和聚焦的限制因素，它不可避免，又无可奈何。
图1 光束的汇聚。（a）孩童时代乐此不疲的游戏；（b）初中时代凸透镜的原理；图（c）中的A4纸和（d）中的毛玻璃，它们可否像透镜一样聚焦光。
随着科技的进步，百万像素级别空间光调制器的问世，以及调制和利用散射光子理念的提出，为光场调控打下了良好的基础。本项研究通过调制入射光的波前，优化光子在介质中的传输模式，将光能集中在自由通道中传输，可最大限度减小光能损耗，实现光束在散射介质内部的聚焦。
本项研究基于反射矩阵光学相干层析成像系统，通过构建样品的反射矩阵，对其实施奇异值分解实现了对不同属性光子的分离。同时依赖于波前整形技术，一部分散射光子将进入“自由通道”，这部分光子将保持接近100%的透射率直达目标区域，即汇聚点。为了观察这些光子在介质内部是否汇聚，我们通过时间反演得到了能量矩阵，它就像一个植入介质内部的虚拟相机一样，可以实现对光束能量分布的探测。
本项研究揭示了光子在散射介质中的传播规律，为光在生物组织深处位置的聚焦和成像开辟了新思路。传统的光学相干层析成像技术，主要应用于人眼、皮肤等散射性较弱的生物组织。而新型的反射矩阵光学相干层析成像，拓展了该项技术在高散射组织中的应用，典型的如幼年老鼠的脑盖骨等，呈现了其在脑科学研究中的潜在价值。
该研究成果以"Enhance the delivery of light energy ultra-deep into turbid medium by controlling multiple scattering photons to travel in open channels"为题在线发表在Light: Science & Applications。本论文的主要作者为曹靖（高聘副教授，海南大学）和杨强（现任职于北京石油化工学院、人工智能研究院），汪平河（教授，电子科技大学）和陈忠平（教授，加州大学欧文分校）共同担任本文的通讯作者。
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00795-8
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