灵活的激光束整形方法扩展了OCT成像的焦深

长三角G60激光联盟导读

据悉，研究人员开发了一种新方法，可以灵活地产生各种针状激光束。这些长而窄的光束可用于改进光学相干层析成像（OCT），OCT是一种用于科学研究和各种类型临床诊断的无创多功能成像工具。

研究人员通过使用300微米长、直径3微米的针状光束对人体皮肤进行OCT成像，展示了他们产生针状光束的方法。他们的图像显示出比使用传统高斯光束的OCT图像更高的分辨率（底部）。来源：Jingjing Zhao, Stanford University School of Medicine

斯坦福大学医学院研究小组组长Adam de la Zerda说：“针状激光束可以有效地延长OCT系统的聚焦深度，在长深度范围内提高横向分辨率、信噪比、对比度和图像质量。然而，在此之前，由于缺乏通用、灵活的生成方法，实现特定的针状波束一直很困难。”

研究人员开发了一种新方法，可以灵活地产生各种针状激光束，如图所示。由于这些长而窄的光束具有扩展的聚焦深度，因此可以用于改善OCT。来源：Jingjing Zhao, Stanford University School of Medicine

在Optica中，研究人员描述了他们用于创建不同长度和直径的针状光束的新平台。它可以用于创建各种类型的光束，例如景深非常长的光束或小于光的衍射极限的光束。

用这种方法产生的针状光束可用于各种OCT应用。例如，利用长而窄的光束可以在没有任何动态聚焦的情况下对视网膜进行高分辨率OCT成像，使过程更快，从而使患者更舒适。它还可以扩大OCT内窥镜的聚焦深度，从而提高诊断准确性。

为了增加聚焦深度，研究人员使用一种称为相位掩模的衍射光学元件创建了许多焦点，其中包含用于创建各种光图案的微结构。来源：Jingjing Zhao, Stanford University School of Medicine

论文第一作者Zhao Jingjing表示：“针状光束的快速高分辨率成像能力还可以消除图像采集过程中由于人体运动而产生的不利影响。这有助于使用OCT精确定位黑色素瘤和其他皮肤问题。”

灵活的解决方案

作为一种非侵入性成像工具，OCT具有沿成像深度恒定的轴向分辨率。然而，其轴向分辨率由光源决定，焦距很小。为了解决这个问题，通常制作OCT仪器，以便焦点可以沿深度移动，以捕捉整个感兴趣区域的清晰图像。然而，这种动态聚焦会使成像速度变慢，并且在样本不是静态的应用中效果不佳。

原理图

OCT通常使用一个物镜，该物镜产生一个具有单个短焦距的焦点。为了增加聚焦深度，研究人员使用了一种称为相位掩模的衍射光学元件，该元件使用微结构来创建各种光图案，从而在轴向上形成许多焦点。他们用随机分布的像素组设计相位掩模，并对其进行特殊图案处理，以创建不同于原始焦点的新焦点。然后，可以使用整个相位掩模在轴向上产生密集的聚焦，形成具有长聚焦深度的针状光束。

“通过修改焦点位置和每两个相邻焦点之间的相位差，可以灵活、准确地改变光束长度及其直径。”研究人员表示，由于开发了一种计算模型，以精确、定量的方式揭示光束特性与多焦点设计参数之间的关系，这种灵活性成为可能。他们还开发了一种高性能制造程序，根据模型的计算制作衍射光学元件。

选择正确的光束

为了测试他们的模型，研究人员创建了适用于几种不同类型样品成像的光束形状。例如，为了成像整个人类表皮层中的单个细胞，他们创建了一个直径小于2微米（细胞分辨率）且长度至少为80微米（表皮厚度）的针状光束。他们还能够捕捉活果蝇幼虫心脏跳动的高分辨率动态图像，这是研究心脏病的重要模式生物。这需要一个700微米长、8微米直径的光束，以便在长深度范围内观察器官结构。

梁截面轮廓

研究人员目前正在努力改进该方法，根据他们的模型，用单个扁平金属取代目前用于制造针状光束的衍射光学元件和物镜。例如，这种金属可以放置在老鼠的头骨上，实时观察老鼠大脑中的神经元动态。

这项新工作还可以在改善光学相干层析成像技术之外找到应用。

来源：A flexible method for generating needle-shaped beam and its application in optical coherence tomography, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.456894