Konstruerede metasurfaces erstatter tape i specialiseret mikroskop

Det seneste fremskridt inden for en ny type optik, der sigter mod at forbedre mikroskopi, startede med et spil tennis for tre år siden.

Slap af efter en lang dag med forskning i deres respektive laboratorier, Mooseok Jang (Ph.D. '16) og Yu Horie (der modtager sin ph.d. i juni 2018) - dengang, begge kandidatstuderende på Caltech - mødtes til et spil tennis på Caltechs Braun Athletic Center -baner.

Jang, en elev af Changhuei Yang - Thomas G. Myers professor i elektroteknik, Bioingeniør, og medicinsk teknik i afdelingen for teknik og anvendt videnskab - havde arbejdet på en spirende mikroskopiteknologi, der bruger lysspredning til at omgå den traditionelle afvejning mellem opløsning (mængden af ​​detaljer, du fanger) og synsfelt (det område, du fanger). Forskningen havde ramt en vejspærring:de værktøjer, der blev brugt til at sprede lys, var svære at forudsige og upålidelige.

Under tenniskampen, Jang beskrev denne frustrerende gåde til Horie, en studerende af adjunkt i anvendt fysik og materialevidenskab Andrei Faraon (BS '04). I Faraons laboratorium, Horie arbejdede på metasurfaces, som er arkark, hvis elektromagnetiske egenskaber kan ændres efter behov. Faraon, en nanofotoniker, skaber metaoverflader, der er besat med nanoskala -indlæg lavet af siliciumnitrid. Disse nanoposter er i stand til at manipulere lys med en høj grad af præcision - f.eks. at bøje lys som en linse gør eller kode hologrammer på en flad overflade. Da deres samtale vandrede fra tennisbanerne til kaffe på Red Door Marketplace i Caltech, Jang og Horie indså, at ekspertisen fra deres respektive laboratorier kunne kombineres for at skabe en mere pålidelig, forudsigeligt lysspredningsmateriale.

"Da vi talte, det blev klart, at vi kunne arbejde sammen om at løse dette problem, " siger Jang.

Praksisen med at sprede lys for at tage et billede i høj opløsning med et bredt synsfelt virker kontraintuitivt, men demonstrationer i løbet af det sidste årti har vist, at det kan være effektivt. Mens spredt lys ikke formerer sig på en enkel måde som lys, der passerer gennem en linse, det kan behandles til optisk fokusering og billeddannelse i høj opløsning ved hjælp af en enhed kaldet en rumlig lysmodulator (SLM), som korrigerer og leder de rå spredte komponenter for at muliggøre optisk kontrol i høj kvalitet. Resultatet er et billede med et øget antal opløselige brændpunkter, der er spredt ud over et bredere synsfelt - med andre ord, en klarere, bredere image.

Problemet, imidlertid, er, at denne strategi er vanskelig at gennemføre praktisk, til det ubrugelige. For at få mening ud af det krypterede lys, SLM skal vide præcis, hvordan den blev påvirket af spredningsmediet. Forskellige typer spredningsmedier, der er i brug - herunder tape - er fulde af tilfældigt placerede suspenderede partikler. Når et stykke tape placeres i vejen for en lysstråle, disse partikler gør et godt stykke arbejde med at sprede lys på en tilfældig måde, som er målet. Imidlertid, på grund af den iboende tilfældige karakter af deres placering i båndet, det kan tage uger, før måleprocessen fuldt ud karakteriserer spredningen og muliggør fokusering i høj kvalitet over det maksimale antal individuelle punkter i et billede. Værre, de suspenderede partikler har en dårlig vane med at migrere i båndet, selv under kalibreringsprocessen, som har potentiale til at gøre den omhyggeligt lange måleproces værdiløs, når den er færdig.

Med et spredemedie som klæbende tape, denne karakterisering har traditionelt betydet at kalibrere mediet ved at projicere kendte billeder igennem det ved hjælp af SLM og derefter arbejde baglæns for at bestemme mediets virkning på det indgående lys - derefter gentage denne proces igen og igen for fuldt ud at karakterisere mediet.

Imidlertid, ved hjælp af de metaoverflader, der genereres i Faraons laboratorium - materialer, der spreder lys på helt forudsigelige måder - kan kalibreringstiden falde fra timer til kun minutter, konvertere den tidskrævende måleproces til en simpel justeringsprocedure. Som en ekstra bonus, omkalibrering ville aldrig være nødvendig.

"Jeg tror, ​​at Dr. Yang og hans kolleger i første omgang var skeptiske over for, at vi kunne styre lyset med en sådan præcision ved hjælp af disse metasurfaces, "Siger Horie. De blev til sidst overbevist, imidlertid, og i et papir offentliggjort i Nature Photonics denne måned, de to laboratorier demonstrerer produktionen af ​​et billede i høj opløsning-svarende til en numerisk blænde større end 0,5-med et relativt bredt (8 millimeter) synsfelt. Billedet havde anslået 2,2 milliarder individuelle brændpunkter. Til sammenligning, et typisk højkvalitetsmikroskop med den samme numeriske blænde giver en størrelsesorden færre brændpunkter.

Med fortsatte forbedringer som denne, forskere og patologer vil kunne scanne prøver med mikroskoper hurtigere og med en højere opløsning.

"Håbet er, at vores arbejde vil vække yderligere interesse for dette område af optik og gøre denne type mikroskopi og dens fordele mulige i praksis, daglig brug - ikke kun som et bevis på konceptet, "siger Josh Brake (MS '16), en kandidatstuderende i Yangs laboratorium, der fortsætter med at arbejde på projektet med Faraon og Yang.

Siden deres gennembrudssamarbejde Jang og Horie er færdige med deres ph.d. -arbejde og gik hver til sit:Jang vendte tilbage til sit hjemland Korea, hvor han fortsætter sin forskning som en del af sin obligatoriske militærtjeneste, mens Horie tog et job hos Apple. De to holder kontakten, selvom. Og begge spiller stadig tennis.

Nature Photonics papiret har titlen "Wavefront shaping with disorder-engineered metasurfaces."