Anwendungen tief im Gewebe
Die gezielte Lichtzufuhr durch streuendes Gewebe wird durch Streuung stark eingeschränkt. Durch den technologischen Fortschritt der Hardware, der Rechenleistung und der Methodiken der letzten Jahre, ist es heutzutage jedoch möglich, das Licht im oder hinter dem streuenden Medium zu kontrollieren, indem die Wellenfront mit Hilfe eines örtlichen Lichtmodulators (SLM) geformt wird, bevor das Licht in das streuende Medium eintritt. Die Haupthürde besteht darin, eine geeignete Maske zu bestimmen, die eine geeignete Vorverzerrung des Lichts ermöglicht, so dass die gewünschte Lichtverteilung im interessierenden Bereich erzeugt wird. Es gibt verschiedene Methoden diese Hürde zu überwinden: Dies sind z.B. die iterative Optimierung der Wellenfront, die Messung der Transmissionsmatrix und die digital-optische Phasenkonjugation (DOPC). Die DOPC hat den Vorteil, dass sie keine zeitaufwendigen Iterationen oder zeitraubende Kalibrierungsmessungen erfordert, sondern eine direkte Wellenfrontformung mit einer einzigen Messung ermöglicht. Üblicherweise werden Leitsterne verwendet, um die Information zu extrahieren. Die Phase des Leitsternlichts wird durch quantitative Phasenmessungen, z.B. durch digitale Holographie, erfasst und eine Phasenmaske der Phasenkonjugierten auf dem SLM dargestellt. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Streuprozesse zeitlich umzukehren und den Leitstern neu zu erzeugen. Wir haben zum Beispiel DOPC angewendet, um Licht durch einen 400 μm dicken Mäuseschädel zu fokussieren.
a) Leitstern. b) Speckle durch Schädelknochen ohne DOPC. c) Mit DOPC wird der Leitstern durch den Schädelknochen erzeugt.
Während ohne DOPC eine starke Streuung zu beobachten ist (Abbildung b), erlaubt DOPC die Fokussierung durch den Schädel der Maus mit hoher Qualität (Abbildung c). Ein solcher Ansatz ist z.B. wichtig für die optogenetische in-vivo Stimulation.
N. Koukourakis, B. Fregin, J. König, L. Büttner, J. Czarske “Wavefront shaping for imaging based flow field measurements through distortions using a Fresnel guide star”, Opt. Express 24(19), 22074-22087 (2016).
J. Czarske, D. Haufe, N. Koukourakis, L. Büttner “Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation”, Opt. Express 24(13), 15128-15136 (2016).
S. Rothe, H. Radner, N. Koukourakis, J. Czarske, “Transmission matrix measurement of multimode optical fibers by mode-selective excitation using one spatial light modulator”, Issue on Liquid Crystal on Silicon Devices: Modeling and Advanced Spatial Light Modulation Applications; Applied Sciences, 2019