Een team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft de eerste platte lens ontwikkeld voor immersiemicroscopie. Dit objectief, die kan worden ontworpen voor elke vloeistof, kan een kosteneffectief en gemakkelijk te vervaardigen alternatief zijn voor het dure, eeuwenoude techniek van het met de hand polijsten van lenzen voor immersieobjectieven.

Het onderzoek is beschreven in Nano-letters .

"Deze nieuwe lens heeft het potentieel om de nadelen en uitdagingen van lenspolijsttechnieken die al eeuwen worden gebruikt, te overwinnen, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS, en senior auteur van het artikel.

Als licht een voorwerp raakt, het verstrooit. Optische microscopen verzamelen dat verstrooide licht door een reeks lenzen en reconstrueren het in een afbeelding. Echter, de fijne gedetailleerde geometrische informatie van een object wordt gedragen door het deel van het verstrooide licht dat zich voortplant met hoeken die te groot zijn om te worden verzameld. Door het object in een vloeistof onder te dompelen, worden de hoeken kleiner en kan licht worden opgevangen dat voorheen onmogelijk was, verbetering van het oplossend vermogen van de microscoop.

Op basis van dit principe, immersiemicroscopen gebruiken een laag vloeistof, meestal water of olie, tussen het objectglaasje en de objectieflens. Deze vloeistoffen hebben hogere brekingsindices in vergelijking met de vrije ruimte, zodat de ruimtelijke resolutie wordt verhoogd met een factor gelijk aan de brekingsindex van de gebruikte vloeistof.

Immersie microscopen, zoals alle microscopen, bestaan ​​uit een reeks trapsgewijze lenzen. De eerste, bekend als de frontlens, is het kleinste en belangrijkste onderdeel. Slechts enkele millimeters groot, deze halfronde lenzen zien eruit als perfect bewaarde regendruppels.

Door hun kenmerkende vorm, de meeste frontlenzen van high-end microscopen die tegenwoordig worden geproduceerd, zijn met de hand gepolijst. Dit proces, niet verrassend, is duur en tijdrovend en produceert lenzen die alleen werken binnen een paar specifieke brekingsindices van immersievloeistoffen. Dus, als het ene exemplaar onder bloed zit en het andere onder water, je zou twee verschillende lenzen met de hand moeten maken.

Om dit proces te vereenvoudigen en te versnellen, SEAS-onderzoekers gebruikten nanotechnologie om een ​​vlakke frontlens te ontwerpen die gemakkelijk kan worden aangepast en vervaardigd voor verschillende vloeistoffen met verschillende brekingsindices. De lens bestaat uit een reeks titaniumdioxide-nanovinnen en is vervaardigd met behulp van een lithografisch proces in één stap.

"Deze lenzen zijn gemaakt met behulp van een enkele laag lithografie, een techniek die veel wordt gebruikt in de industrie, " zei Wei Ting Chen, eerste auteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "Ze kunnen in massa worden geproduceerd met bestaande gieterijtechnologie of nano-imprinting voor kosteneffectieve hoogwaardige immersie-optica."

Met behulp van dit proces, het team ontwierp metalenses die niet alleen kunnen worden aangepast voor elke onderdompelingsvloeistof, maar ook voor meerdere lagen met verschillende brekingsindices. Dit is vooral belangrijk voor het afbeelden van biologisch materiaal, zoals huid.

"Onze immersie-metaallens kan rekening houden met de brekingsindices van epidermis en dermis om licht op het weefsel onder de menselijke huid te concentreren zonder extra ontwerp- of fabricagecomplexiteit, " zei Alexander Zhu, co-auteur van de paper en afgestudeerde student aan SEAS.

"We voorzien dat immersie-metalenses veel toepassingen zullen vinden, niet alleen in biologische beeldvorming, maar ook geheel nieuwe toepassingen mogelijk zullen maken en uiteindelijk beter zullen presteren dan conventionele lenzen in bestaande markten, ' zei Capasso.