En av utmaningarna med optisk mikroskopi är att kontinuerligt öka bildkraften, eller upplösning. Under de senaste tre hundra udda åren har forskare har byggt upp allt bättre mikroskop. Gränsen, under en lång tid, bestämdes av endast två faktorer:kontrasten för objektet som ses, och upplösningseffekten hos optiken i mikroskopet. De senaste 50 åren, särskilt, har lett till en explosion i tekniker för att förbättra både objektets kontrast och kvaliteten på optiken.

En sådan teknik kallas en superlens. Superlenserna använder sig av några av vågornas särart för att kunna lösa detaljer som annars skulle vara dolda för syn. Nu, forskare från Nanjing University i Kina har publicerat resultat på en vågledaruppsättning som ger många av fördelarna med en superlens. Tillsammans med det, vågledaruppsättningen har inte de tekniska svårigheter som vanligtvis är förknippade med tillverkning av superlinser.

Det objektivet är super

För att förstå superlens, det hjälper till att förstå hur en bild bildas. Låt oss börja med något som huvudet på en nål mot en saklös bakgrund. När ljuset lyser på stiftet, det sprider sig åt alla håll. Bildens detaljer hålls i intensiteten och riktningarna som ljuset sprids. Dock, objektiv har en begränsad storlek, begränsa mängden ljus som fångas. Bilden som rekonstrueras från det ljus som fångas av linsen kommer inte att ha detaljerna som bärs av ljuset som aldrig nådde linsen. Vår bild är ofullkomlig.

För de bästa funktionerna, det finns ingen vinkel vid vilken ett objektiv kan fånga ljuset, för ljuset reser inte. Istället, vågen dör snabbt (exponentiellt), och inom några våglängder, intensiteten är mycket nära noll. Ett objektiv, med ett arbetsavstånd som är typiskt för ett mikroskop, kommer inte att fånga dessa så kallade flyktiga vågor.

En superlins är utformad för att fånga dessa detaljinnehållande svängande vågor. För att aktivera det, linsen måste vara konstruerad av ett metamaterial som har ett negativt brytningsindex (normala material har ett positivt brytningsindex). Dock, metamaterial är inte lätta att göra, och fungerar inte bra. Det mesta av ljuset som träffar en superlens reflekteras från det, medan internt, de ämnen som används för att skapa metamaterialet absorberar mycket ljus. Därav, linsen fångar fina detaljer, men bildkontrasten är dålig.

Det är här Songs och kollegors arbete spelar in. Deras lins består av en rad vågledare som är placerade mycket nära varandra. Varje vågledare fångar ljus från precis framför vågledaröppningen. Ljuset transporteras till den andra änden av vågledaruppsättningen, där den används för att (i princip) återskapa en bild.

Waveguide flödeskontroll

Vågledare med nära avstånd transporterar inte bilder. När vågledare ligger nära varandra, ljuset flödar från en vågledare till en annan. En bild blir helt randomiserad om den transporteras i en tät uppsättning vågledare.

För att komma runt detta problem, forskarna utnyttjade hur kopplingen mellan vågledarna fungerar. I raka parallella vågledare, kopplingen mellan matriserna kan representeras av ett fast positivt tal. Detta nummer ger den bråkdel av ljus som byter vågledare som en funktion av avstånd. Dock, om vågledarna är parallella, men slingrar sig på ett vågliknande sätt, då kan kopplingen vara negativ.

För att vara mer konkret:föreställ dig två vågledare som ligger nära varandra och är raka. Ljus går in i en vågledare och sprider sig till den andra med en hastighet som anges av kopplingskonstanten. Ljuset kommer sedan in i slingan, som har en kopplingskoefficient som har samma storlek, men är negativ. Detta avsnitt ångrar spridningen exakt så att allt ljus lämnar samma vågledare som det kom in.

Forskarna demonstrerade denna effekt med en uppsättning av 13 vågledare. De visade att ljuset konsekvent skulle lämna vågledaren som det var kopplat till, trots kraftig blandning i den raka sektionen.

Detta är bara början på historien. Bilder kan byggas upp genom att skanna vågledarmatrisen. Upplösningen kan ökas ytterligare genom att göra vågledarnas bländare mindre.

Den demonstrerade strukturen har andra användningsområden. Integrerade optiska kretsar för beräkning och kommunikation är, jämfört med elektroniska system, stor. Avståndet dikteras av behovet av att styra kopplingen mellan angränsande vågledare. Denna forskning visar hur man har vågledare med hög densitet utan oönskad koppling. I slutet, som kan hitta applikationer som är mer utbredda än högupplöst bildbehandling.