Forskare har utvecklat en ny metod för att flexibelt skapa olika nålformade laserstrålar. Dessa långa, smala strålar kan användas för att förbättra optisk koherenstomografi (OCT), ett icke-invasivt och mångsidigt avbildningsverktyg som används för vetenskaplig forskning och olika typer av kliniska diagnoser.

"Nålformade laserstrålar kan effektivt utöka fokusdjupet i ett OCT-system och förbättra den laterala upplösningen, signal-brusförhållandet, kontrast och bildkvalitet över ett långt djupområde", säger forskargruppens ledare Adam de la Zerda från Stanford University School of Medicine. "Men tidigare har det varit svårt att implementera en specifik nålformad stråle på grund av bristen på en gemensam, flexibel genereringsmetod."

I Optica , beskriver forskarna sin nya plattform för att skapa nålformade balkar med olika längder och diametrar. Den kan användas för att skapa olika typer av strålar som till exempel en med extremt långt skärpedjup eller en som är mindre än ljusets diffraktionsgräns.

De nålformade strålarna som genereras med denna metod kan gynna en mängd olika OCT-applikationer. Till exempel kan användning av en lång, smal stråle möjliggöra högupplöst OCT-avbildning av näthinnan utan någon dynamisk fokusering, vilket gör processen snabbare och därmed mer bekväm för patienterna. Det skulle också kunna utöka fokusdjupet för OCT-endoskopi, vilket skulle förbättra diagnosnoggrannheten.

"Den snabba högupplösta avbildningsförmågan hos nålformade strålar kan också bli av med skadliga effekter som uppstår på grund av mänskliga rörelser under bildinsamling", säger tidningens första författare Jingjing Zhao. "Detta kan hjälpa till att lokalisera melanom och andra hudproblem med hjälp av OKT."

En flexibel lösning

Som ett icke-invasivt bildverktyg har OCT en axiell upplösning som är konstant längs dess bilddjup. Dess axiella upplösning, som bestäms av ljuskällan, har dock ett mycket litet fokusdjup. För att ta itu med denna fråga tillverkas ofta instrument från OLT så att fokus kan flyttas längs med djupet för att fånga tydliga bilder av en hel region av intresse. Denna dynamiska fokusering kan dock göra avbildningen långsammare och fungerar inte bra för applikationer där provet inte är statiskt.

OCT använder vanligtvis ett objektiv som genererar en brännpunkt med ett enda kort fokusdjup. För att öka fokusdjupet använde forskarna ett diffraktivt optiskt element som kallas en fasmask som använder mikrostrukturer för att skapa olika ljusmönster vilket resulterar i många fokuspunkter längs den axiella riktningen. De designade fasmasken med grupper av pixlar som var slumpmässigt fördelade och speciellt mönstrade för att skapa ett nytt fokus som skiljer sig från det ursprungliga. Hela fasmasken kan sedan användas för att generera tätt placerade brännpunkter i axiell riktning, vilket bildar en nålformad stråle med ett långt fokusdjup.

"Flexibilitet är den främsta fördelen med detta nya tillvägagångssätt," sa Zhao. "Både strållängden och dess diameter kan ändras flexibelt och exakt genom att modifiera placeringen av brännpunkterna och fasskillnaden mellan vartannat angränsande fokus." Denna flexibilitet är möjlig tack vare en beräkningsmodell som forskarna utvecklade för att avslöja sambandet mellan strålegenskaperna och designparametrarna för de multipla fokuserna på ett exakt, kvantitativt sätt. De utvecklade också en högpresterande tillverkningsprocedur för att göra diffraktiva optiska element baserat på modellens beräkningar.

Välja den högra strålen

För att testa sin modell skapade forskarna strålformer som är lämpliga för att avbilda flera olika typer av prover. Till exempel, för att avbilda enskilda celler i ett helt lager av mänsklig epidermis, skapade de en nålformad stråle med en diameter mindre än 2 mikron (cellupplösning) och en längd på minst 80 mikron (epidermis tjocklek). De kunde också fånga högupplösta dynamiska bilder av ett bankande hjärta i en levande drosophila-larv, som är en viktig modellorganism för att studera hjärtsjukdomar. Detta krävde en stråle som var 700 mikron lång och 8 mikron i diameter för att visualisera organstruktur över ett långt djupområde.

Forskarna arbetar nu för att förbättra tillvägagångssättet genom att ersätta det diffraktiva optiska elementet och objektivet som för närvarande används för att göra en nålformad stråle med en enda platt metallen baserat på deras modell. Denna metalens kan placeras på skallen på en mus för att observera neurondynamiken inuti mushjärnan i realtid, till exempel.

Det nya arbetet kan också hitta tillämpningar utöver att förbättra OLT. "Nålformade strålar kan användas för att förbättra upplösningen av alla mikroskopisystem, inklusive partikelmanipulation med optisk pincett, materialbearbetning, konfokalmikroskopi, multifotonmikroskopi, fotolitografi och fotoakustisk tomografi", säger Zhao. "Vår modell kan också tillämpas på elektromagnetiska vågor för terahertz-avbildning och till och med de mekaniska vågorna som används vid ultraljudsavbildning." + Utforska vidare

Forskare använder kvantinspirerat tillvägagångssätt för att öka LiDAR-upplösningen