Голограммы помогут «обращать время вспять» для рассеянного света

Физики из Калифорнийского технологического института и Университета Твенте разработали новый метод подавления рассеяния света в мутных средах. Он требует детектирования очень малого количества рассеянных фотонов для создания корректирующей голограммы — менее одного фотона на пиксель детектора.  Среди возможных применений техники — поддержание фокусировки пучка света в режиме реального времени внутри живой динамически изменяющейся клетки и фокусирование света в толще тканей мозга для оптогенетики. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

На качество изображения оптических приборов — микроскопов, телескопов и других устройств — влияет большое количество факторов. В первую очередь, разрешение таких систем ограничивается рассеянием и дифракцией света. Рассеяние вызвано в частности не идеальной прозрачностью среды, в которой распространяется свет — движением атмосферы или мутностью биологических тканей.

Чтобы бороться с этим рассеянием существует ряд техник. К примеру, в астрономических наблюдениях используется адаптивная оптика, непрерывно корректирующая изгиб зеркала телескопа чтобы уменьшить действие атмосферных искажений. В современной микроскопии для подавления рассеяния используют голографические методы — обращение волнового фронта.

Этот метод заключается в следующем. На первом этапе через образец пропускают лазерный луч, рассеивающийся на определенной опорной точке образца. Эту опорную точку можно сформировать, например, с помощью ультразвукового излучения или флуоресцентного красителя — необходимо изменить длину волны излучения по сравнению с источником.  Затем рассеянное излучение интерферирует с лучом второго лазера, формируя голограмму.

На втором этапе в ту же точку образца направляют луч, предварительно прошедший (или отразившийся) от голограммы. В результате свет словно бы восстанавливает траектории рассеяния и собирается обратно в одной точке. Это позволяет осветить образец в этой точке достаточно ярко, чтобы, например, получить изображение методом флуоресцентной микроскопии. Для создания трехмерной картины опорную точку перемещают и повторяют операцию еще несколько раз.

Долгое время считалось,  что эта методика не может использоваться для образцов большой толщины (свыше нескольких миллиметров). К примеру, на ней сильно сказывается движение жидкостей в живых тканях. Большие размеры образца также «гасят» сигнал рассеянного света.

Авторы новой работы показали, что даже очень слабый рассеянный сигнал оказывается достаточным, чтобы подавить рассеяние. В эксперименте физики использовали тонкую (0,45 миллиметра) пластинку опала — мутноватого и хорошо рассеивающего свет минерала, — которую освещали малоинтенсивным светом лазера. Цель ученых была в том, чтобы определить границы применимости метода.

Оказалось, что даже когда на пиксель детектора в среднем попадало лишь 0,004 фотона (4 фотона на тысячу пикселей) информации от голограммы оставалось достаточно чтобы надежно сфокусировать потом пучок света в необходимой точке. По словам авторов, из исследования можно сделать противоречащий здравому смыслу вывод — увеличение количества пикселей в детекторе может улучшить фокусировку пучка, даже если из-за этого некоторые пиксели не получат ни одного фотона.

По словам ученых, этот результат можно напрямую применить к уже существующим системам. К примеру, снизив требования к количеству фотонов, падающих на детектор, можно реализовать систему быстрой «фокусировки» лазерного луча в условиях динамической рассеивающей среды — биологической ткани. Кроме того, максимальная толщина исследуемого образца может значительно вырасти по сравнению с традиционными 5 миллиметрами.

Обращение волнового фронта в некотором смысле соответствует обращению времени при распространении пучка света. Похожие подходы позволяют подавить не только рассеяние света. Так, физики из Университета PSL показали, что правильно подобранный механический импульс может «обратить время» для кругов на воде или для прыгающей на воде капли.

Владимир Королёв