Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om op flexibele wijze verschillende naaldvormige laserstralen te creëren. Deze lange, smalle bundels kunnen worden gebruikt om optische coherentietomografie (OCT) te verbeteren, een niet-invasieve en veelzijdige beeldvormingstool die wordt gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek en verschillende soorten klinische diagnoses.

"Naaldvormige laserstralen kunnen de scherptediepte van een OCT-systeem effectief vergroten, waardoor de laterale resolutie, signaal-ruisverhouding, contrast en beeldkwaliteit over een groot dieptebereik worden verbeterd", zei onderzoeksteamleider Adam de la Zerda van de Stanford University School of Medicine. "Voorheen was het echter moeilijk om een ​​specifieke naaldvormige straal te implementeren vanwege het ontbreken van een gemeenschappelijke, flexibele generatiemethode."

In Optica , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe platform voor het maken van naaldvormige balken met verschillende lengtes en diameters. Het kan worden gebruikt om verschillende soorten bundels te creëren, zoals bijvoorbeeld een met een extreem lange scherptediepte of een die kleiner is dan de diffractielimiet van het licht.

De naaldvormige bundels die met deze methode worden gegenereerd, kunnen een verscheidenheid aan LGO-toepassingen ten goede komen. Het gebruik van een lange, smalle straal kan bijvoorbeeld OCT-beeldvorming met hoge resolutie van het netvlies mogelijk maken zonder enige dynamische focus, waardoor het proces sneller en dus comfortabeler voor patiënten wordt. Het zou ook de scherptediepte voor OCT-endoscopie kunnen vergroten, wat de nauwkeurigheid van de diagnose zou verbeteren.

"De snelle beeldvorming met hoge resolutie van naaldvormige bundels kan ook nadelige effecten wegnemen die optreden als gevolg van menselijke bewegingen tijdens beeldacquisitie", zei de eerste auteur van het artikel, Jingjing Zhao. "Dit kan helpen om melanoom en andere huidproblemen op te sporen met behulp van OCT."

Een flexibele oplossing

Als een niet-invasief beeldvormingsinstrument heeft OCT een axiale resolutie die constant is langs de beelddiepte. De axiale resolutie, die wordt bepaald door de lichtbron, heeft echter een zeer kleine scherptediepte. Om dit probleem aan te pakken, worden OCT-instrumenten vaak zo gemaakt dat de focus langs de diepte kan worden verplaatst om duidelijke beelden van een heel interessegebied vast te leggen. Deze dynamische focus kan de beeldvorming echter langzamer maken en werkt niet goed voor toepassingen waarbij het monster niet statisch is.

OCT gebruikt meestal een objectieflens die één brandpunt genereert met een enkele, korte scherptediepte. Om de scherptediepte te vergroten, gebruikten de onderzoekers een diffractief optisch element dat bekend staat als een fasemasker dat microstructuren gebruikt om verschillende lichtpatronen te creëren, wat resulteert in talrijke brandpunten langs de axiale richting. Ze ontwierpen het fasemasker met groepen pixels die willekeurig waren verdeeld en speciaal van een patroon waren voorzien om een ​​nieuwe focus te creëren die verschilt van de oorspronkelijke. Het volledige fasemasker kan dan worden gebruikt om dicht op elkaar staande brandpunten in de axiale richting te genereren, waardoor een naaldvormige straal met een lange scherptediepte wordt gevormd.

"Flexibiliteit is het belangrijkste voordeel van deze nieuwe aanpak", zegt Zhao. "Zowel de bundellengte als de diameter ervan kunnen flexibel en nauwkeurig worden gewijzigd door de locaties van de foci en het faseverschil tussen elke twee aangrenzende foci aan te passen." Deze flexibiliteit is mogelijk dankzij een rekenmodel dat de onderzoekers ontwikkelden om de relatie tussen de bundeleigenschappen en de ontwerpparameters van de meerdere brandpunten op een precieze, kwantitatieve manier te onthullen. Ze ontwikkelden ook een hoogwaardige fabricageprocedure om diffractieve optische elementen te maken op basis van de berekeningen van het model.

De juiste straal selecteren

Om hun model te testen, creëerden de onderzoekers bundelvormen die geschikt zijn voor het afbeelden van verschillende soorten monsters. Om bijvoorbeeld individuele cellen in een hele laag menselijke epidermis in beeld te brengen, creëerden ze een naaldvormige straal met een diameter kleiner dan 2 micron (cellulaire resolutie) en een lengte van ten minste 80 micron (epidermisdikte). Ze waren ook in staat om dynamische beelden met hoge resolutie vast te leggen van een kloppend hart in een levende drosophila-larve, een belangrijk modelorganisme voor het bestuderen van hartaandoeningen. Dit vereiste een straal van 700 micron lang en 8 micron in diameter om de orgelstructuur over een groot dieptebereik te visualiseren.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de aanpak door het diffractieve optische element en het objectief dat momenteel wordt gebruikt om een ​​naaldvormige straal te maken, te vervangen door een enkele platte metalens op basis van hun model. Deze metalens kan op de schedel van een muis worden geplaatst om bijvoorbeeld de neurondynamiek in het muizenbrein in realtime te observeren.

Het nieuwe werk kan ook toepassingen vinden die verder gaan dan het verbeteren van LGO. "Naaldvormige bundels kunnen worden gebruikt om de resolutie van alle microscopiesystemen te verbeteren, inclusief deeltjesmanipulatie met optische pincetten, materiaalverwerking, confocale microscopie, multifotonenmicroscopie, fotolithografie en fotoakoestische tomografie", zei Zhao. "Ons model kan ook worden toegepast op elektromagnetische golven voor terahertz-beeldvorming en zelfs de mechanische golven die worden gebruikt bij echografie." + Verder verkennen

Onderzoekers gebruiken een op kwantum geïnspireerde benadering om de LiDAR-resolutie te verhogen