Wavefront shaping for focusing light through scattering media

Light propagation through opaque materials, such as biological tissue, is altered by scattering, that prevents a beam with planar wavefront to be focused when it crosses the medium. Wavefront shaping, using a Spatial Light Modulator (SLM) can overcome this limitation, finding the optimal wavefront that matches the distribution of the particles inside the material, to focus the light. The thesis reports focusing experiments using the feedback algorithms, that dynamically change the wavefront and an experiment to measure the transmission matrix. The latter contains all the useful information to shape the scattered beam. There are many applications of wavefront shaping, one of those is Acousto Optical Tomography (AOT). Here the light is frequency tagged when it travels through an ultrasound wave, and the frequency modulated photons are detected for optical imaging. Since the “tagged” light is weak with respect to the “non-tagged” one, focusing it can improve the signal intensity and thus the signal to noise ratio.

Modulazione del fronte d’onda per focalizzare attraverso mezzi diffusivi. La propagazione della luce attraverso materiali opachi, come il tessuto biologico, è alterata dalla dispersione, che impedisce la messa a fuoco di un raggio con fronte d'onda planare quando attraversa il mezzo. La modellatura del fronte d'onda, utilizzando uno Spatial Light Modulator (SLM), può superare questa limitazione, trovando il fronte d'onda ottimale che corrisponde alla distribuzione delle particelle all'interno del materiale, per focalizzare la luce. La tesi riporta esperimenti focalizzati usando gli algoritmi di feedback, che cambiano dinamicamente il fronte d'onda e un esperimento per misurare la matrice di trasmissione. Quest'ultima contiene tutte le informazioni utili per modellare il raggio sparso. Esistono molte applicazioni della modellatura del fronte d'onda, una delle quali è la tomografia ottica Acousto (AOT). Qui la luce viene taggata in frequenza quando viaggia attraverso un'onda a ultrasuoni e i fotoni modulati in frequenza vengono rilevati per l'imaging ottico. Poiché la luce "taggata" è debole rispetto a quella "non taggata", la messa a fuoco può migliorare l'intensità del segnale e quindi il rapporto segnale-rumore.