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图1 研究人员展示了生成针形光束的新方法，并生成了300微米长、直径3微米的针状光束对人体皮肤进行光学相干断层扫描成像；成像结果显示，针状光束比传统高斯光束获得的OCT图像具有更高的分辨率
研究人员开发了一种可灵活生成各种针状激光束的新方法。狭长的针状光束可用于改进光学相干断层扫描（OCT）技术，光学相干断层扫描常被用在科学研究以及各类临床诊断的无损、通用成像中。
斯坦福大学医学院研究团队的负责人Adam de la Zerda说：“针状激光束能够有效扩展OCT系统的焦深，在一段较长的深度变化范围内提高横向分辨率、信噪比、对比度以及图像质量。此前由于缺乏通用、灵活的输出针状光束的方法，输出特定的针形光束一直非常困难。”
研究人员在发表于Optica上的一篇文章中描述了生成不同长度、直径针状光束的新平台。这一平台能用来制造各种类型的光束，比如景深极长的光束、或者小于光的衍射极限的光束。
该方法生成的针状光束可用于各类OCT应用中，例如：无需动态聚焦、仅使用狭长光束即可实现对视网膜高分辨率OCT成像，过程更快，从而免除了患者的痛楚；这种方法还能对OCT内窥镜的焦深进行扩展，从而提高诊断的准确性。
该论文的第一作者Jingjing Zhao说：“针状光束的快速、高分辨率成像能力，还能消除图像采集过程中人体运动导致的成像问题，从而使得OCT技术能够更好的用于黑色素瘤以及其他皮肤问题的诊断中。”
图2 研究人员开发了一种新的方法，能够灵活制造出如图所示的各类针状激光束。这种狭长的光束具有较深的焦深，能用于改进OCT技术的成像效果
灵活的解决方案
作为一种无创成像工具，OCT在沿成像深度方向的轴向分辨率不变。然而这一轴向分辨率取决于光源，焦深非常小。为解决这一问题，通常会使用焦点能沿着深度移动的OCT仪器，以捕捉整个目标区域的清晰图像。然而，这种动态聚焦过程会降低成像速度，且不适用于非静态样本的成像。
OCT的物镜通常产生一个焦点，具有一个单一的短焦距。为了增加焦深，研究人员使用了一种称为相位掩模的衍射光学元件，该元件利用微型结构生成各种光模式，从而在轴向产生多个焦点。研究人员使用随机分布的像素组设计了相位掩模，并特别设计了图案，以创建一个不同于原始焦点的新焦点。随后使用整个相位掩模在轴向产生紧密排列的焦点，从而形成具有长焦深的针形光束。
“这种新方法的主要优势在于灵活度高，”Zhao说。通过修改焦点位置和相邻两个焦点之间的相位差，能够灵活、精确地改变光束的长度和直径。这种灵活性的实现得益于研究人员开发的计算模型，该模型精确、定量的表征出了光束特性和多焦点设计参数之间的关系。研究人员还开发了一种基于模型计算的高性能衍射光学元件生产过程。
图3 研究人员使用被称为相位掩模的衍射光学元件创建了多个焦点，以增加焦深；该元件上具有创建各类光模式的微型结构
选择正确的光束
了测试他们的模型，研究人员生成了用于几种不同类型样本成像的光束形状。例如，为了成像整个人类表皮层中的单个细胞，他们生成了一个直径小于2微米（细胞分辨率），长度大于80微米（表皮厚度）的针状光束。研究人员还借助一束700微米长、8微米直径的光束对长深度范围内的器官结构进行观察，成功捕捉到了活果蝇幼虫心脏跳动的高分辨率动态图像，这是研究心脏病的一个重要模型生物体。
目前研究人员正致力于对此方法进行改进，计划基于他们的模型将衍射光学原件及物镜替换为单个平面超透镜。实际应用中，能够将这种超透镜放在老鼠的头骨上，实时观察老鼠大脑内的神经元动力学。
除了改进OCT技术，此项研究成功还能应用于其他领域。“针状光束能用于提升所有显微成像系统的分辨率，包括用光镊操控粒子、材料加工、共聚焦显微镜、多光子显微镜、光刻和光声断层扫描等系统。”Zhao说。“我们的模型也能应用于对太赫兹成像中的电磁波整形、甚至用于超声成像中的机械波。”
文章见：Jingjing Zhao et al, A flexible method for generating needle-shaped beam and its application in optical coherence tomography, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.456894。
