Det senaste framsteget inom en ny typ av optik som syftar till att förbättra mikroskopi började med ett spel tennis för tre år sedan.

Avkoppling efter en lång dag av forskning i sina respektive laboratorier, Mooseok Jang (Ph.D. '16) och Yu Horie (som kommer att få sin doktorsexamen i juni 2018) - vid den tiden, båda doktoranderna på Caltech - träffades för en omgång tennis på Caltechs Braun Athletic Center -banor.

Jang, en student av Changhuei Yang - Thomas G. Myers professor i elektroteknik, Bioingenjör, och medicinsk teknik inom avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap - hade arbetat med en ny mikroskopisk teknik som använder ljusspridning för att kringgå den traditionella avvägningen mellan upplösning (mängden detaljer som du fångar) och synfält (området du fångar). Forskningen hade träffat en vägspärr:verktygen som användes för att sprida ljus var svåra att förutsäga och opålitliga.

Under tennismatchen, Jang beskrev denna frustrerande gåta för Horie, student vid adjunkt i tillämpad fysik och materialvetenskap Andrei Faraon (BS '04). I Faraons labb, Horie arbetade med metasytor, som är materialark vars elektromagnetiska egenskaper kan ändras vid behov. Faraon, en nanofotoniker, skapar metasytor som är klädda med nanoskala stolpar gjorda av kiselnitrid. Dessa nanoposter kan manipulera ljus med hög precision - till exempel att böja ljus som en lins gör eller koda hologram på en plan yta. När deras konversation vandrade från tennisbanorna till kaffe på Red Door Marketplace i Caltech, Jang och Horie insåg att deras respektive laboratoriers expertis kunde kombineras för att skapa en mer tillförlitlig, förutsägbart ljusspridande material.

"När vi pratade, det blev klart att vi kunde arbeta tillsammans för att lösa detta problem, "Säger Jang.

Övningen av att sprida ljus för att ta en högupplöst bild med ett stort synfält verkar kontraintuitivt, men demonstrationer under det senaste decenniet har visat att det kan vara effektivt. Även om spritt ljus inte sprider sig på ett enkelt sätt som ljus som passerar genom en lins, den kan bearbetas för högupplöst optisk fokusering och avbildning med hjälp av en enhet som kallas en spatial light modulator (SLM), som korrigerar och leder de utspridda komponenterna för att möjliggöra optisk styrning i hög kvalitet. Resultatet är en bild med ett ökat antal lösbara brännpunkter som är utspridda över ett bredare synfält - med andra ord, en tydligare, bredare bild.

Problemet, dock, är att denna strategi är svår att praktiskt genomföra, till det värdelösa. För att få mening ur det förvrängda ljuset, SLM behöver veta exakt hur det påverkades av spridningsmediet. Olika typer av spridningsmedier som för närvarande används - inklusive tejp - är fulla av slumpmässigt placerade suspenderade partiklar. När en tejpbit placeras i vägen för en ljusstråle, dessa partiklar gör ett bra jobb med att sprida ljus på ett slumpmässigt sätt, vilket är målet. Dock, på grund av den inneboende slumpmässiga karaktären av deras placering i bandet, det kan ta veckor för mätprocessen att fullt ut karakterisera spridningen och möjliggöra högkvalitativ fokusering över det maximala antalet enskilda punkter i en bild. Värre, de suspenderade partiklarna har en dålig vana att migrera i bandet, även under kalibreringsprocessen, som har potential att göra den noggrant långa mätprocessen värdelös när den är klar.

Med ett spridningsmedium som tejp, denna karakterisering har traditionellt inneburit kalibrering av mediet genom att projicera kända bilder genom det med SLM och sedan arbeta bakåt för att bestämma mediets verkan på det inkommande ljuset - sedan upprepa denna process om och om igen för att fullständigt karakterisera mediet.

Dock, med hjälp av metasytorna som genereras i Faraons laboratorium - material som sprider ljus på helt förutsägbara sätt - kan kalibreringstiden sjunka från timmar till bara minuter, konvertera den tidskrävande mätprocessen till ett enkelt justeringsförfarande. Som en extra bonus, omkalibrering skulle aldrig vara nödvändig.

"Jag tror att Dr Yang och hans kollegor först var skeptiska till att vi kunde styra ljuset med sådan precision med hjälp av dessa metasytor, "Säger Horie. De blev så småningom övertygade, dock, och i ett papper publicerat i Nature Photonics den här månaden, de två laboratorierna visar produktionen av en högupplöst bild-motsvarande en numerisk bländare större än 0,5-med ett relativt brett (8 millimeter) synfält. Bilden hade uppskattningsvis 2,2 miljarder enskilda brännpunkter. För jämförelse, ett typiskt mikroskop av hög kvalitet med samma numeriska bländare ger en storleksordning färre brännpunkter.

Med fortsatta förbättringar som detta, forskare och patologer kommer att kunna skanna prover med mikroskop snabbare och med en högre upplösning.

"Förhoppningen är att vårt arbete kommer att väcka ytterligare intresse för detta optikområde och göra denna typ av mikroskopi och dess fördelar möjliga för praktiska, daglig användning - inte bara som ett bevis på konceptet, "säger Josh Brake (MS '16), en doktorand i Yangs laboratorium som fortsätter att arbeta med projektet med Faraon och Yang.

Sedan deras genombrottssamarbete har Jang och Horie har avslutat sitt doktorandarbete och gått skilda vägar:Jang återvände till sitt hemland Korea, där han fortsätter sin forskning som en del av sin obligatoriska militärtjänst, medan Horie tog ett jobb på Apple. De två håller kontakten, fastän. Och båda spelar fortfarande tennis.

Nature Photonics-papperet har titeln "Wavefront-formning med störningsutvecklade metasytor."