Scattering, be it elastic or inelastic, is the reason why we can see the world around us. Ironically, it is also the main phenomenon that impedes clear imaging using traditional optical systems. This is due to the fact that conventional refraction based lenses are designed to focus an image using ballistic light components. However, in real life, the path of light is always obstructed, for instance, through the refractive index variant atmosphere, the skin covering internal organs, or even a well-designed cover slip of a microscope. Due to this reason, multiple scattering has always been considered as an obstacle that was best to be avoided. In this thesis, we control multiple scattering and demonstrate that the extremely high degree of freedom brought on by multiple scattering can, on the contrary, be used to our advantage for various photonic applications. The thesis consists of two main branches: (1) taking advantage of multiple scattering to enhance photonic properties of a turbid medium and (2) utilizing time reversal to maximize energy delivery through turbid media. In the first part of the story, the large degree of freedom is shown to be sufficient to control the paths of different wavelengths and polarization, as well as steer light to focuses that are smaller than described by Abbe’s diffraction limit. The first demonstration of widefield super-resolution imaging is also achieved using the ‘scattering superlens’. These examples demonstrate that a thin turbid medium can be effectively used as a powerful photonic device with multiple functionalities that are impossible to obtain with conventional lenses. In the second part of the story, to maximize energy delivery through turbid media in in-vivo situations, we demonstrate a novel phase conjugation scheme allowing the measurement and control of a complex 2D field using a single point detector and an SLM placed in reflection geometry. We hope that the findings of this thesis can be further improved to realize powerful ‘turbid lenses’ that can be widely used in the community and ultimately help in finding the best solution for imaging through turbid media.
인간의 오감 중 가장 많은 정보를 담당하는 것은 아무래도 시각일 것이다. 이는 비단 일상 생활 뿐만 아니라 연구에서도 마찬가지이다. 실제 세포 및 세포 소기관들의 모양새 및 움직임을 관측할 수 있다면 생명의 신비 역시 한꺼풀 벗겨질 것이며 인류는 질병 극복에 한발짝 다가설 수 있다. 이러한 이유로 의광학 분야에 종사하는 모든 이들은 각자의 전문 기술로 어떻게 하면 살아있는 세포를 더 빠르고, 더 자세하게 볼 수 있을지 공통된 목표를 향해 나아가고 있는 것이다.
조직 및 세포를 관측할 수 있는 기술들은 다양하게 발달되어 왔지만, 실제 사람의 신체 내부를 가시광선으로 볼 수 있는 방법은 극히 제한적이다. 이는 인체가 수많은 세포들의 합으로 이루어져 있기 때문이다. 세포 하나하나는 매우 투명하지만 이들의 집합은 빛을 대부분 반사하게 된다. 이와 같은 현상은 맥주 거품을 통해 쉽게 볼 수 있다. 맥주잔 내에서 기포가 생겼을 때에는 기포 하나를 통과하여 뒤에 있는 맥주의 색을 뚜렷이 볼 수 있지만 맥주잔 표면에 여러 개여 기포가 모여 거품을 이루게 되면 뒷 배경을 전혀 볼 수 없는 하얀 벽을 이루게 된다. 두 경우 모두 기포 하나하나는 질소를 둘러싸고 있는 얇은 액체 막일 뿐이지만 이들이 모일 경우 기체와 액체의 경계면에서 발생하는 굴절이 무수히 반복되어 복수산란을 일으킨다. 복수산란은 모든 파장의 빛을 무작위적으로 산란시키기 때문에 우리 눈에는 하얗게 보인다.
신체를 이루는 세포들의 경우, 내부는 대부분 물로 채워져 있으며 세포막은 지질로 이루어져 있다. 이와 같은 물과 기름의 경계면에서 산란이 일어나게 되며, 무수히 많은 세포들로 이루어진 조직을 통과할 때 빛은 복수산란을 겪게 된다. 이때 빛의 경로가 예측 불가능하게 왜곡되어 기존 광학 기법으로는 피부 속을 볼 수 없게 되는 것이며 이와 같은 이유로 지금까지 복수산란은 의광학 이미징에 있어서 반드시 극복해야 할 악의 축 같은 존재였다. 본 논문에서는 이와 반대로 복수산란을 제어하여 오히려 새롭고 이로운 광학적 특성들을 발휘할 수 있을지 않을까 하는 질문에서부터 출발한다.
복수산란은 그 무작위성과 복잡성으로 인해 엄청난 자유도를 지니고 있다. 이러한 자유도로 인해 복수산란은 실제 빛의 모든 특성, 즉 파장, 편광, 및 위상에 대해 매우 민감하게 반응한다. 다시 말하자면, 복수산란을 통해 복잡하게 왜곡된 빛의 경로는 사실 입사된 빛의 파장, 편광, 및 파면에 대해 결정론적인 일 대 일 대응 관계를 이루고 있다는 것이다. 특정 파장, 편광의 빛을 특정한 방향으로 무작위 매질에 입사시키면 어떤 특정한 복잡한 파면이 나올 것이고, 해당 입사되는 빛의 파장, 편광, 혹은 입사 방향을 바꾼다면 또 다른 특정한 복잡한 파면이 나올 것이다. 이를 반대로 생각해본다면 어떤 특수한 파장, 편광, 및 파면의 빛을 무작위 매질에 입사시키면 복수산란 이후에도 우리가 원하는 특성의 빛을 얻을 수 있다는 것이다. 이러한 특성을 이용하면 기존 광학 이미징을 방해하였던 피부층을 반대로 빛의 파장, 편광, 그리고 위상까지 조절할 수 있는 매우 특수한 광학기기로 사용할 수 있다. 실제로 본 연구에서는 위와 같은 원리를 사용하여 머리카락 하나의 두께에 해당하는 얇은 무작위 매질을 파장 필터, 편광 제어기, 그리고 더 나아가 일반 렌즈로는 불가능한 근접장 제어를 실현하는데 성공하였다. 이를 이용하여 빛의 파장보다 약 4배 작은 광초점 형성을 만들 수 있음을 선보였으며 더 나아가 실시간 대면적 초고해상도 이미지를 얻는데 성공하였다.
본 논문의 마지막 장에서는 목적을 약간 틀어 실제 조직 내로 빛을 어떻게 하면 효과적으로 전달할 수 있을지에 대한 새로운 해답을 제시하고자 하였다. 일반 렌즈를 사용할 경우 신체 내부로 전달되는 제어 가능한 빛의 양은 복수산란으로 인해 기하급수적으로 감소한다. 하지만 만약 신체 내부의 암 조직 등에만 달라붙는 광원을 주입한다면, 해당 광원에서 발생한 빛은 조직 내부를 복잡한 경로를 통과한 후 피부 바깥으로 나올 것이다. 이때 빛의 시간 대칭성을 이용하여 피부 바깥으로 나온 빛을 정확히 역으로 보내줄 수 있다면 조직을 빠져나올 때 통과하였던 복잡한 경로를 반대로 따라 들어가 정확히 해당 광원으로 돌아갈 것이다. 이처럼 제어된 빛은 피부의 두께와 상관없이 완벽한 효율로 전달되어 광선 치료법의 효과적인 빛 전달 방법이 될 것이다. 이를 실제로 구현하기 위해서는 피부 바깥으로 나온 빛의 파면을 정확히 측정하고, 또 해당 빛의 파면을 정확히 시간에 대해 대칭적으로 바꿔 줄 수 있는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 이와 같은 2단계 작업을 파면 제어기 하나로 어떻게 보다 손쉽게 할 수 있을지 제시하였다.
본 연구에서는 복수산란이 극복 가능함은 물론이고, 더 많은 광학적 기능과 정보를 줄 수 있는 이로운 현상임을 보이고자 하였다. 실제로 여러 부분에서 이러한 특성을 찾을 수 있었으며 머지 않은 미래에 해당 기술들을 더욱 발전시켜 실제 질병 치료 및 생명 현상 연구에도 쓰일 수 있길 기대해본다.
