Superscherpe beelden door dunne optische vezels

Superscherpe beeldvorming in het lichaam met minuscule endoscopen is een stapje dichterbij gekomen door gezamenlijk onderzoek van wetenschappers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, het Max Planck Institute for the Science of Light (MPL), FOM en Carl Zeiss AG. Gecombineerd met een geavanceerde wavefront shaping-techniek die is ontwikkeld aan de UT, kunnen de unieke optische vezels van het MPL licht focussen zonder lenzen met een ongeëvenaarde resolutie. FOM-postdoc dr. Lyubov Amitonova en haar collega-onderzoekers publiceerden hun resultaten op 29 januari in Optics Letters, het toonaangevende tijdschrift van de Optical Society of America.

Sondes van ultradunne glasvezels - endoscopen - zijn uitermate nuttig om op een minimaal invasieve manier een kijkje in het menselijk lichaam te nemen. Momenteel is de resolutie van glasvezelendoscopen echter op zijn best een micrometer, wat niet scherp genoeg is om interessante en belangrijke details in bijvoorbeeld biologische cellen te zien. Sommige endoscopen bestaan uit een groot aantal aparte glasvezels die zijn samengebonden tot één bundel. Elke vezel fungeert als een afzonderlijk pixel, waarmee het uiteindelijke (uit pixels opgebouwde) beeld wordt gevormd. Het nadeel is dat zulke bundels meestal vrij dik zijn, ten minste een millimeter in doorsnede.

Glasvezelendoscopen op basis van zogeheten multimode-vezels daarentegen, geven een beter beeld en hoeven slechts een tiende millimeter dik te zijn. Een multimode-vezel maakt gebruik van maar één vezelkern die een heel beeld kan doorgeven. Het beeld vervormt weliswaar tijdens zijn reis door de vezel, maar er zijn manieren om deze vervorming weer ongedaan te maken. De meest beperkende factor voor de resolutie van dit soort endoscopen, is dat de glasvezel alleen licht doorstuurt dat zich in het verlengde van de vezel verplaatst. Licht dat onder een kleine hoek binnenkomt kan nog steeds, kaatsend via de wanden, doorgegeven worden, maar als de hoek te groot wordt, lekt het licht via de zijkant weg. FOM-postdoc dr. Lyubov Amitonova en haar collega's van de UT en het MPL hebben nu laten zien dat vezels van fotonische kristallen deze beperking kunnen ondervangen.

Conventionele (‘step-index’) glasvezels bestaan uit twee zones van verschillend materiaal (een mantel en een kern) met duidelijk verschillende brekingsindices, waardoor licht propageert langs de vezelas door totale interne reflectie. Fotonische kristalvezels zijn op een andere manier opgebouwd: ze bestaan maar uit één soort materiaal en de geleiding van het licht vindt plaats via een specifiek patroon van met lucht gevulde gaatjes in de mantel. Het aanpassen van de mantelstructuur van dit soort vezels biedt unieke mogelijkheden om specifieke vezeloptische eigenschappen te verkrijgen. In dit onderzoek hebben de wetenschappers een fotonische kristalvezel zodanig ontworpen en gemaakt dat een laserstraal van zichtbaar rood licht door de vezel tot op 0,52 micrometer gefocust kon worden.

Scherpe focus en hoge resolutie

Zo'n fotonische kristalvezel fungeert als multimode-glasvezel, waarin het beeld typisch vervormd raakt doordat licht weerkaatst via de mogelijk onregelmatige wand van de vezel. De techniek van complex wavefront shaping die in Twente uitgevonden is, maakt deze vervorming ongedaan en zorgt voor een scherpe focus. Hiertoe wordt het licht voorgevormd voordat het de vezel ingaat, in precies die vorm die nodig is voor het verkrijgen van een scherp beeld achter de vezel. Op die manier konden Amitonova en haar collega's licht focussen aan het uiteinde van verschillende multimode-vezels, waaronder enkele unieke fotonische kristalvezels. Ze hebben aangetoond dat de complex wavefront shaping-techniek, in combinatie met een goed ontworpen multimode-kristalvezel, erin slaagt om een nauwe focus op de gewenste plaats aan het vezeluiteinde te krijgen met een sub-golflengte diameter. Dit baant de weg voor endoscopische beeldvorming met hoge resolutie via vezelsondes die zó dun zijn dat ze bijvoorbeeld ingebracht kunnen worden in bloedvaatjes die niet veel dikker zijn dan een mensenhaar