光在生物组织等散射介质中传播时会发生多次散射，形成散斑，使得光无法有效聚焦到深层组织，这限制了光学成像和治疗的深度。传统方法利用“导引星”作为参考点，通过时间反演技术实现聚焦，但实际应用中导引星往往占7据较大空间，导致聚焦分辨率低、信噪比差。针对这一难题，本研究提出了一种创新方法——基于吸收非线性的迭代时间反演（iTRAN）技术。该技术利用光学吸收非线性效应，通过高低强度光照下的散射场差分合成虚拟导引星，并结合迭代反馈机制，最终实现散射介质内单散斑粒级的精准聚焦。此外，该方法还能通过相位斜坡迭代实现焦点扫描，突破等晕区的限制，为深层生物组织光学操控与成像提供了新思路。

本研究成果由Manxiu Cui、S. Süleyman Kahraman和Lihong V. Wang共同完成，论文题为“Optical focusing into scattering media via iterative time reversal guided by absorption nonlinearity”，于2025年在《Nature Communications》期刊上正式发表。

重要发现
01核心贡献
本研究首次提出并实验验证了iTRAN技术，能够在散射介质中实现光学分辨率的单点聚焦，而无须依赖传统点状导引星。该技术通过利用介质中吸收剂的非线性饱和效应（如曙红凝胶层的基态耗尽），构建虚拟导引星，并结合迭代时间反演形成正反馈机制，使聚焦光斑在多次迭代中自动收敛至最强散斑颗粒，最终达到衍射极限级别的聚焦效果。

在下一迭代中，将该差分场的相位共轭作为新的入射波前，通过空间光调制器（SLM）投射至介质。由于时间反演特性，光场将沿原路径返回并增强在非线性区域的场强分布。随着迭代进行，较强散斑颗粒因吸收饱和程度更高，其在后续迭代中的相对强度会进一步增加，形成“赢家通吃”的正反馈效应，最终使光场收敛至单个散斑颗粒。

实验采用532nm激光源，通过SLM调制波前，并使用4f光学系统将光场传递至由散射片与曙红凝胶层组成的仿体介质。通过数字全息技术记录出射光场，并实时进行差分与相位共轭计算。在验证阶段，通过移除非线性层并回放迭代波前，可直接观察介质内部散斑的收敛过程。

实验结果表明，结合iTRAN去像差的焦点扫描可连续移动45步以上，而未经校正的焦点在约24步后即严重退化。这为在大视场内进行深部组织光学成像或光刺激提供了技术基础。

创新与亮点
01突破散射介质成像难题
iTRAN技术突破了传统导引星技术在空间分辨率与定位灵活性上的限制。传统导引星（如超声调制、荧光标记等）通常尺寸远大于光学衍射极限，且难以在组织内精确定位。iTRAN利用扩展的非线性吸收层作为虚拟导引星，通过迭代反馈自动收敛至散斑级焦点，实现了“无需预先定位的点状导引星”效果，解决了导引星区域大导致的聚焦分辨率低、峰值背景比差的问题。

03在光学生物医疗中的价值
iTRAN技术在光动力治疗、深层组织光学成像、光遗传学等生物医学领域具有重要应用前景。例如，在光动力治疗中，曙红既是非线性导引星剂，也是经典光敏剂，iTRAN可高效地将治疗光聚焦至深层靶区，提升治疗效果并减少周边组织损伤。此外，该技术原则上可扩展至其他非线性机制（如双光子吸收、二次谐波产生），未来有望实现无需外源造影剂的深层组织聚焦与成像。

总结与展望
iTRAN技术通过创新性地结合吸收非线性与迭代时间反演，实现了散射介质内无需点状导引星的光学聚焦与扫描，突破了传统导引星技术在分辨率与灵活性上的瓶颈。该技术不仅演示了单散斑粒级的聚焦能力，还通过迭代去像差实现了大范围焦点扫描，为深层生物组织光学操控与高分辨率成像开辟了新途径。未来，研究将致力于将方法扩展至三维分布的非线性介质，探索其在活体组织中的应用潜力；并通过提升系统速度与稳定性，进一步发展适用于在体环境的实时聚焦与成像技术。随着非线性探针与高速波前调制技术的进步，iTRAN有望成为深部组织光学诊疗中的核心工具之一。

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