基于吸收非線性的迭代時間反演（iTRAN）技術(shù)介紹及應(yīng)用

光在生物組織等散射介質(zhì)中傳播時會發(fā)生多次散射，形成散斑，使得光無法有效聚焦到深層組織，這限制了光學(xué)成像和治療的深度。傳統(tǒng)方法利用“導(dǎo)引星”作為參考點，通過時間反演技術(shù)實現(xiàn)聚焦，但實際應(yīng)用中導(dǎo)引星往往占7據(jù)較大空間，導(dǎo)致聚焦分辨率低、信噪比差。針對這一難題，本研究提出了一種創(chuàng)新方法——基于吸收非線性的迭代時間反演（iTRAN）技術(shù)。該技術(shù)利用光學(xué)吸收非線性效應(yīng)，通過高低強(qiáng)度光照下的散射場差分合成虛擬導(dǎo)引星，并結(jié)合迭代反饋機(jī)制，最終實現(xiàn)散射介質(zhì)內(nèi)單散斑粒級的精準(zhǔn)聚焦。此外，該方法還能通過相位斜坡迭代實現(xiàn)焦點掃描，突破等暈區(qū)的限制，為深層生物組織光學(xué)操控與成像提供了新思路。

本研究成果由Manxiu Cui、S. Süleyman Kahraman和Lihong V. Wang共同完成，論文題為“Optical focusing into scattering media via iterative time reversal guided by absorption nonlinearity”，于2025年在《Nature Communications》期刊上正式發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01核心貢獻(xiàn)
本研究首次提出并實驗驗證了iTRAN技術(shù)，能夠在散射介質(zhì)中實現(xiàn)光學(xué)分辨率的單點聚焦，而無須依賴傳統(tǒng)點狀導(dǎo)引星。該技術(shù)通過利用介質(zhì)中吸收劑的非線性飽和效應(yīng)（如曙紅凝膠層的基態(tài)耗盡），構(gòu)建虛擬導(dǎo)引星，并結(jié)合迭代時間反演形成正反饋機(jī)制，使聚焦光斑在多次迭代中自動收斂至最強(qiáng)散斑顆粒，最終達(dá)到衍射極限級別的聚焦效果。

在下一迭代中，將該差分場的相位共軛作為新的入射波前，通過空間光調(diào)制器（SLM）投射至介質(zhì)。由于時間反演特性，光場將沿原路徑返回并增強(qiáng)在非線性區(qū)域的場強(qiáng)分布。隨著迭代進(jìn)行，較強(qiáng)散斑顆粒因吸收飽和程度更高，其在后續(xù)迭代中的相對強(qiáng)度會進(jìn)一步增加，形成“贏家通吃”的正反饋效應(yīng)，最終使光場收斂至單個散斑顆粒。

實驗采用532nm激光源，通過SLM調(diào)制波前，并使用4f光學(xué)系統(tǒng)將光場傳遞至由散射片與曙紅凝膠層組成的仿體介質(zhì)。通過數(shù)字全息技術(shù)記錄出射光場，并實時進(jìn)行差分與相位共軛計算。在驗證階段，通過移除非線性層并回放迭代波前，可直接觀察介質(zhì)內(nèi)部散斑的收斂過程。

實驗結(jié)果表明，結(jié)合iTRAN去像差的焦點掃描可連續(xù)移動45步以上，而未經(jīng)校正的焦點在約24步后即嚴(yán)重退化。這為在大視場內(nèi)進(jìn)行深部組織光學(xué)成像或光刺激提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

創(chuàng)新與亮點
01突破散射介質(zhì)成像難題
iTRAN技術(shù)突破了傳統(tǒng)導(dǎo)引星技術(shù)在空間分辨率與定位靈活性上的限制。傳統(tǒng)導(dǎo)引星（如超聲調(diào)制、熒光標(biāo)記等）通常尺寸遠(yuǎn)大于光學(xué)衍射極限，且難以在組織內(nèi)精確定位。iTRAN利用擴(kuò)展的非線性吸收層作為虛擬導(dǎo)引星，通過迭代反饋自動收斂至散斑級焦點，實現(xiàn)了“無需預(yù)先定位的點狀導(dǎo)引星”效果，解決了導(dǎo)引星區(qū)域大導(dǎo)致的聚焦分辨率低、峰值背景比差的問題。

03在光學(xué)生物醫(yī)療中的價值
iTRAN技術(shù)在光動力治療、深層組織光學(xué)成像、光遺傳學(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。例如，在光動力治療中，曙紅既是非線性導(dǎo)引星劑，也是經(jīng)典光敏劑，iTRAN可高效地將治療光聚焦至深層靶區(qū)，提升治療效果并減少周邊組織損傷。此外，該技術(shù)原則上可擴(kuò)展至其他非線性機(jī)制（如雙光子吸收、二次諧波產(chǎn)生），未來有望實現(xiàn)無需外源造影劑的深層組織聚焦與成像。

總結(jié)與展望
iTRAN技術(shù)通過創(chuàng)新性地結(jié)合吸收非線性與迭代時間反演，實現(xiàn)了散射介質(zhì)內(nèi)無需點狀導(dǎo)引星的光學(xué)聚焦與掃描，突破了傳統(tǒng)導(dǎo)引星技術(shù)在分辨率與靈活性上的瓶頸。該技術(shù)不僅演示了單散斑粒級的聚焦能力，還通過迭代去像差實現(xiàn)了大范圍焦點掃描，為深層生物組織光學(xué)操控與高分辨率成像開辟了新途徑。未來，研究將致力于將方法擴(kuò)展至三維分布的非線性介質(zhì)，探索其在活體組織中的應(yīng)用潛力；并通過提升系統(tǒng)速度與穩(wěn)定性，進(jìn)一步發(fā)展適用于在體環(huán)境的實時聚焦與成像技術(shù)。隨著非線性探針與高速波前調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步，iTRAN有望成為深部組織光學(xué)診療中的核心工具之一。

DOI:10.1038/s41467-025-63095-w.