В первой в своем роде демонстрации, опубликованной сегодня в новом высокоэффективном журнале Optica Оптического общества (OSA), группа исследователей разработала мощную технику фокусировки лазерного света даже в самых темных местах без необходимости путеводная звезда. Это нововведение, специализированная версия микроскопа с адаптивной оптикой, может разрешить точку размером менее одной тысячной миллиметра в поперечнике.
«Представьте, что вы светите фонариком через густой туман, чтобы попытаться увидеть единственную точку», — сказал Ярон Зильберберг, исследователь из Института науки Вейцмана в Израиле и соавтор статьи «Оптика». "Свет становился настолько рассеянным, когда проходил сквозь туман, что вы не могли бы разобрать, что спрятано внутри.
Однако, тщательно сформировав входящий свет, можно будет точно попасть в цель. Это именно то, чего удалось достичь исследователям, чего еще никто не делал."
Команда модифицировала стандартный двухфотонный сканирующий микроскоп — тот, который использует всплески лазерного света для построения изображения точечно, а затем построчно — путем включения устройства формирования волнового фронта с высоким разрешением.
Это позволяет микроскопу видеть сквозь визуально непрозрачный затемняющий слой, который в противном случае создавал бы сильно размытое, туманное изображение.
Формирование волнового фронта видит сквозь мрак
Подход к формированию волнового фронта основан на «адаптивной оптике», которая используется как в науке, так и в медицине, для коррекции размытия изображения путем анализа того, как световые волны искажаются при прохождении через различные материалы. Например, в астрономии телескопы с адаптивной оптикой устраняют мерцание звездного света, чтобы видеть далекие объекты так же четко, как если бы телескоп находился в космосе. Хотя адаптивная оптика творит чудеса, исправляя слегка искаженные изображения, например, из-за атмосферной турбулентности, она не может компенсировать серьезные искажения, такие как рассеяние туманом или изображение сквозь скорлупу яйца.
Тем не менее, недавно было показано, что этот новый вариант подхода адаптивной оптики позволяет решать такие задачи.
Даже когда идеальная коррекция искажений невозможна, формирование волнового фронта может дать четкое высококонтрастное изображение даже через визуально непрозрачные препятствия.
ИЗОБРАЖЕНИЕ: Как вы видите сквозь стену тумана и при этом получаете четкое изображение?
Исследователи, использующие специализированную версию микроскопа с адаптивной оптикой, увидели сквозь затемняющее пространство…
Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Вырваться из путеводной звезды
Однако для формирования волнового фронта, как и для адаптивной оптики, требуется контрольная точка, чтобы четко сфокусировать цель.
Эта точка, известная как путеводная звезда из-за ее первого использования в астрономии, должна располагаться относительно той же области или поля зрения, что и изучаемый объект. В астрономии яркие близлежащие звезды или мощные лазеры используются для настройки оптики телескопа для получения почти идеального изображения.
Однако в биологии и медицине направляющие звезды — например, имплантированная флуоресцентная частица — должны быть физически вставлены в отображаемый образец. Этот процесс может повредить исследуемый образец или повредить нежные ткани. Это особенно проблематично, например, при попытке изучить живой эмбрион внутри скорлупы.
«До сегодняшнего дня полностью оптическая фокусировка через рассеивающую среду требовала инвазивной имплантации точечной направляющей звезды», — сказал Ори Кац, ученый из Института Ланжевена в Париже, Франция, и соавтор статьи «Оптика». «Мы впервые показали, что можно фокусировать свет через визуально непрозрачные барьеры без использования такой путеводной звезды."
Чтобы получить изображение без путеводной звезды, Зильберберг и его коллеги использовали стандартный лазерный сканирующий двухфотонный микроскоп, чтобы сфокусироваться на одной точке за заслоняющим светом рассеивающим слоем.
Лазер излучает световые импульсы длительностью примерно 100 фемтосекунд (фемтосекунда составляет одну миллионную миллиардной секунды), которые направляются через затемняющий слой на цель. Микроскоп смог сфокусироваться на точке размером примерно одну тысячную миллиметра в поперечнике.
Когда свет проходит через промежуточный слой, он сильно рассеивается. В обычной адаптивной оптике возвращаемый сигнал от ведущей звезды был бы измерен, а затем скорректирован или преобразован в его первоначальную форму.
Однако без четкой опорной точки или ведущей звезды, как правило, не было бы возможности исправить такой сильно рассеянный фокус.
ИЗОБРАЖЕНИЕ: это два разных вида одного и того же флуоресцентного целевого изображения.
Первый (а) сделан с использованием обычного метода микроскопии, известного как двухфотонная флуоресценция. Второй (б) -…
Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Исследователи нашли ответ в самом рассеянном свете. Используя тот факт, что двухфотонная флуоресценция так называемым нелинейным образом реагирует на интенсивность возбуждающего света, они смогли собрать важную информацию о волновом фронте, необходимом для компенсации рассеяния. Вместо традиционного подхода с адаптивной оптикой они изменили исходный импульсный свет, который входил, чтобы сформировать сфокусированный луч, который они позже сканировали, чтобы создать изображение флуоресцентного объекта, скрытого за затемняющим слоем.
«Мы обнаружили, что можно эффективно« предварительно скорректировать »лазерный луч, используя сигнал нелинейной флуоресценции», — отметил Кац. "Конечный результат заключается в том, что вместо искаженного, размытого источника света на объекте, который нужно отобразить, мы получаем сильно сфокусированный, или, в данном случае, перефокусированный луч света."
Совсем недавно другие группы показали, что аналогичная фокусировка также возможна с использованием акустической путеводной звезды. Но, по словам исследователей, эта комбинированная оптическая / акустическая система значительно сложнее, и фокус не такой резкий.
Будущие применения в визуализации, хирургии
Исследователи также поясняют, что их метод является лишь базовой демонстрацией принципа, и требуется дополнительная работа, чтобы применить его на практике. «Мы надеемся, что это может помочь в микроскопической визуализации, например, при прямой визуализации эмбрионального развития», — сказал Зильберберг. "Это также может помочь в проведении лазерной хирургии."
Следующим шагом в развитии этой технологии является сокращение времени, необходимого для достижения необходимой фокусировки.
«Мы очень рады этому проекту, потому что он привел к новому пониманию и новому способу видеть сквозь визуально непрозрачные образцы», — заключил Кац.