21 april 2011
Verstrooiende lens maakt ongekend scherpe beelden
Onderzoekers van het MESA+ Instituut aan de universiteit Twente, de Universiteit van Florence,en het FOM-instituut AMOLF hebben een sterk verstrooiende lens ontwikkeld waarmee structuren van minder dan een tienduizendste millimeter (100 nm) met zichtbaar licht bekeken kunnen worden. Dit is een ongekend scherp beeld dat zelfs met de duurste microscoopobjectieven niet haalbaar is. De resultaten worden volgende week gepubliceerd in het toonaangevende Amerikaanse blad Physical Review Letters (verwachte publicatiedatum 29 april, online 25 april) en het artikel is aangemerkt als Editors' suggestion.
afbeelding: Verstrooiende lens
Vergelijking tussen het focusseren met een gewone lens en een verstrooiende lens.
(a) Een vlakke lichtgolf wordt door een bolle lens geconcentreerd in een focus. De grootte van het focus is afhankelijk van het aantal hoeken waaronder het licht in het focus aankomt en van de brekingsindex waarin het licht zich voortplant. Het microscoopplaatje rechtsonder laat een collectie van goudbollen zien met de gelimiteerde resolutie van een van de beste commerciële microscoopobjectieven. In de linker inzet staat een foto van een normale lens.
(b) De onderzoekers belichten een verstrooiend materiaal met een hoge index. Door nauwkeurig de fase van de belichting aan te passen vormt het licht -na alle verstrooiing- een perfecte sferische golf die een scherpe focus vormt in het objectvlak van de verstrooiende lens. De grote hoek waaronder licht nu in het focus arriveert, gecombineerd met de hoge index van de laag, maakt dat er een heel klein focus wordt gevormd. In het rechter microscoopplaatje is dezelfde collectie goudbollen afgebeeld als in (a) met de veel hogere resolutie van de verstrooiende lens. De inzet toont een foto van de lens. De bovenste laag is poreus gemaakt en werkt daardoor verstrooiend.
Eén focus
Als laserlicht wordt verstrooid – door bijvoorbeeld een stuk papier – ontstaat er een wanordelijk patroon van heldere kleine lichtvlekken, spikkels genoemd. Dit is ook wat er in de nieuwe lens gebeurt. De lens is gemaakt van een materiaal met een hoge brekingsindex, waardoor de spikkels heel klein en scherp zijn. Maar om een scherp beeld te maken is één klein focus nodig, in plaats van het dichte spikkelpatroon. Daarom passen de onderzoekers ook de fase van het laserlicht aan, om het voor te bereiden op de verstrooiing. Ze kunnen dan de ontstane spikkels over elkaar heen te schuiven, zodat het licht op één punt gefocusseerd wordt. Dit focus kan vrijelijk bewogen worden in het objectvlak van de lens. De onderzoekers hebben hun lens op een aantal goudbollen getest en waren in staat om deze af te beelden met een sub-100 nm resolutie.
Hoge resolutie
Dit is de eerste lens waarmee het mogelijk is om met zichtbaar licht zulke kleine structuren te bekijken. Het geheim hiervoor is het kleine en beweegbare focus. De verstrooiende lens kan met tal van moderne microscopische technieken worden gecombineerd, zodat de resolutie nog verder kan worden verbeterd.
