Un microscop cu metalens își schimbă focalizarea prin tensiune electrică, fără piese mobile
O echipă de cercetători de la POSTECH, condusă de profesorii Junsuk Rho și Chulhong Kim, a dezvoltat un sistem de microscopie fotoacustică bazat pe o metalens cu dublă focalizare, care poate comuta între diferite adâncimi de imagistica doar prin controlul tensiunii aplicate, fără a deplasa mecanic componentele optice. Rezultatele au fost publicate în revista Light: Science & Applications.
Microscopia fotoacustică este o tehnică de imagistica în care lumina laser este direcționată către țesutul biologic, unde absorbția optică generează unde ultrasonice detectate ulterior pentru formarea imaginii. În microscopia fotoacustică cu rezoluție optică, lumina este focalizată strâns pentru a obține o rezoluție spațială la scară micrometrică, ceea ce permite vizualizarea detaliată a structurilor vasculare fine. Totuși, o focalizare optică mai strânsă reduce inevitabil adâncimea de focalizare, astfel încât doar o regiune axială limitată poate fi imagistică clar, ceea ce îngreunează vizualizarea structurilor biologice tridimensionale distribuite pe o gamă largă de adâncimi.
Abordările convenționale au încercat să extindă adâncimea de imagistica folosind fascicule Bessel, care mențin un focar central îngust pe o distanță axială mai lungă. Aceste fascicule generează însă lobi laterali pronunțați în jurul fasciculului central, ceea ce poate introduce semnale de fundal, reduce contrastul imaginii și degrada calitatea acesteia.
Comutarea adâncimii focale prin tensiune
Echipa de la POSTECH a abordat această provocare controlând starea de polarizare a luminii în loc să deplaseze fizic componentele optice. Sistemul se bazează pe integrarea a două componente optice. Prima este o metalens cu dublă focalizare, proiectată să genereze puncte focale la poziții axiale diferite, în funcție de polarizarea circulară dreapta sau stânga a luminii incidente. A doua este o celulă cu cristal lichid acționată electric, care modifică starea de polarizare a luminii incidente în funcție de tensiunea aplicată. Celula folosește același tip de cristal lichid utilizat în ecranele smartphone-urilor.
Prin combinarea celor două componente, cercetătorii au reușit să comute electronic între două adâncimi focale doar prin ajustarea tensiunii aplicate celulei cu cristal lichid, fiecare comutare durând aproximativ 0,25 secunde. Metalensul a fost integrat suplimentar cu un transductor ultrasonic in formă de inel, permițând alinierea axelor optice și acustice într-o configurație compactă de microscopie fotoacustică. Alternând între cele două moduri focale, sistemul a atins o gamă totală de imagistica axială de aproximativ 1,2 mm. Rezoluțiile spațiale laterale la cele două poziții focale au fost de aproximativ 3,1 μm și, respectiv, 3,7 μm, oferind o rezoluție suficientă pentru vizualizarea structurilor vasculare microscopice.
Vizualizarea vaselor de sânge la diferite adâncimi oculare
Performanța sistemului a fost validată experimental prin imagistica ochilor unor șoareci cu leziuni corneene induse chimic. În modul focal mai superficial, vasele de sânge nou formate în cornee au fost vizualizate clar. În modul focal mai profund, au fost rezolvate selectiv vasele de sânge din apropierea irisului, situate la aproximativ 2,2 mm sub suprafață. Aceste rezultate demonstrează că structurile vasculare aflate la adâncimi substanțial diferite pot fi vizualizate selectiv la rezoluție spațială înaltă, fără deplasarea mecanică a componentelor optice.
Tehnologia ar putea fi deosebit de utilă în imagistica oftalmologică, unde vasele de sânge relevante clinic sunt distribuite la diferite adâncimi în interiorul ochiului. Afecțiuni precum retinopatia diabetică și alte tulburări vasculare necesită o evaluare precisă a structurilor vasculare din multiple regiuni ale ochiului.
„Prin utilizarea multiplexării în polarizare într-un metalens, putem comuta un focar optic de înaltă rezoluție de-a lungul direcției de adâncime fără a deplasa mecanic componentele optice. Eliminarea mișcării mecanice poate permite și sisteme de imagistica mai compacte și mai stabile, oferind oportunități pentru aplicații într-o gamă largă de platforme de imagistica biomedicală și industrială”, a explicat Junsuk Rho.
Studiul a avut ca primi autori pe dr. Hongyoon Kim de la Departamentul de Inginerie Mecanică al POSTECH, pe Eunwoo Park, doctorand în cadrul Departamentului de Inginerie Biomedicală al POSTECH, și pe profesorul Jungwoo Park de la Universitatea Națională Kyungpook.
