(A) Una piedra que cae en un estanque produce ondas circulares completas que se centran en el punto de impacto, y esas ondas se propagarían hacia el mismo punto si el tiempo pudiera revertirse. Usando este argumento de inversión del tiempo, si uno genera ondas circulares de retropropagación a partir de un arco limitado, no necesariamente se enfocarán en el centro. (B) Representación de cómo los efectos de difracción compiten con el enfoque para un haz de diferente tamaño inicial, esa es una apertura diferente. Yendo de izquierda a derecha en el eje x, el tamaño del haz de entrada (tamaño de apertura, línea naranja) aumenta. Para una viga grande, el enfoque es fuerte, que conduce a una pequeña sección transversal en el plano focal (línea azul). Si se reduce la apertura, se alcanza una situación crítica (línea discontinua). En el punto crítico donde se cruzan las dos líneas, los efectos de enfoque y difracción son iguales, y la energía (rojo) se enfoca mejor entre la lente y el plano focal inicial, lo que significa que el plano focal efectivo se ha desplazado hacia la lente. Las aperturas extremadamente pequeñas corresponden a una fuente puntual y producen difracción sin enfocar. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Los científicos han descubierto una nueva propiedad de la propagación de ondas que conduce a una nueva forma de mejorar la resolución de prácticamente todas las tecnologías ópticas. incluyendo lentes de microscopio, telecomunicaciones litografía basada en láser, Imágenes biológicas y astronómicas. Todos estos sistemas transmiten información y energía a través de la propagación de ondas. Investigadores del Instituto de Ciencias Básicas han descubierto que si la luz pasa a través de aberturas asimétricas, surge astigmatismo y puede degradar la resolución de la imagen. Habiendo identificado este problema previamente insospechado, los investigadores mostraron cómo remediarlo.
Mientras leo, el cristalino enfoca la luz hacia la parte posterior del ojo. Sin embargo, si la potencia de enfoque horizontal y vertical del objetivo es diferente, este texto aparecerá borroso:por ejemplo, las líneas verticales y horizontales que forman la letra "T" no se enfocarán juntas. Para evitar este defecto de enfoque, las lentes artificiales están diseñadas de manera óptima para cambiar la forma de los frentes de onda de luz de planos a perfectamente esféricos, porque se cree que los frentes de onda esféricos se enfocan necesariamente en su centro de curvatura único. Publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), Este estudio muestra que los científicos deberían reexaminar esta creencia y revisar sus estrategias de diseño.
Un ejemplo de propagación de ondas son las ondas circulares creadas por un guijarro que cae en un estanque. El punto exacto donde el guijarro golpea el agua determina la posición y la forma de las olas. Si pudieras retroceder en el tiempo esas ondas circulares se reenfocarían en el punto de impacto inicial precisamente, porque la información sobre la ubicación del punto no se pierde durante la propagación de la onda. Este ejemplo 2-D puede extenderse a una situación 3-D en la que las ondas son esféricas y se reenfocan exactamente en el centro de la esfera. Sin embargo, en la vida real, la luz generalmente se enfoca desde un lado a lo largo de alguna dirección y no desde todas las direcciones, y la imagen ideal de enfocar desde un círculo completo o una esfera completa nunca es exactamente relevante.
"Una onda esférica completa es simétrica y tiene su foco exactamente en el centro de la esfera. Sin embargo, para mantener esta simetría esférica, la luz debe propagarse desde todas las direcciones sobre la muestra. Y esto prácticamente nunca sucede. Los frentes de onda pasan a través de una abertura que se limita a una parte de una esfera, en lugar de la esfera completa. Como consecuencia, la simetría esférica se rompe y la información se pierde, "dice el profesor Francois Amblard, autor correspondiente del estudio. En el caso del estanque, esto sería similar a retroceder en el tiempo para intentar reenfocar un arco de onda limitado, en lugar de las ondas circulares completas:estas ondas de arco no necesariamente convergerían en el mismo punto de impacto, porque la información sobre la ubicación del centro se pierde parcialmente.
Los investigadores de IBS aumentaron la resolución de LTFM al restaurar la simetría circular del haz de LTFM. Las imágenes de un corte de pulmón de ratón marcado con fluorescencia muestran que el LTFM mejorado logra una resolución más alta que el PSM, un resultado nunca antes alcanzado. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
El equipo de IBS ha demostrado que a medida que la apertura se hace más pequeña, el enfoque se desplaza hacia atrás, hacia la lente, de modo que el foco inicial ya no esté enfocado. Como consecuencia, si la apertura no es igual en los planos vertical y horizontal, Los cambios focales diferirán entre estas direcciones, que conduce al astigmatismo. "El astigmatismo puede ocurrir incluso con la lente más perfecta si se usa con una apertura no circular, "explica Kai Lou, primer autor del estudio.
El equipo aplicó la idea para mejorar una técnica llamada microscopía de enfoque de línea temporal (LTFM, también llamado enfoque espacio-temporal), que hace uso de un haz de entrada naturalmente asimétrico. Como LTFM es un método utilizado para visualizar estructuras biológicas profundas, los investigadores probaron su estrategia de corrección de desplazamiento focal con tejidos pulmonares de ratón. Se obtuvo una resolución sin precedentes, que incluso superó a una técnica clásica llamada microscopía de barrido puntual (PSM).
¿Cómo contribuye este conocimiento a mejorar la resolución? Aunque este efecto es muy pequeño y se puede ignorar para aplicaciones normales, La corrección del astigmatismo inducido por la apertura podría marcar una diferencia significativa en sistemas delicados como la microscopía avanzada. Entender que el astigmatismo es intrínseco a la simetría circular rota podría ayudar a diseñar correcciones adaptadas a la forma de la apertura, especialmente en campos como la astronomía, telecomunicación, o con ultrasonidos, donde no se pueden evitar las aberturas no circulares.
"En el futuro, planeamos aplicar el astigmatismo inducido por la apertura a tecnologías de transferencia de información aún más complejas, "dijo Steve Granick, coautor corresponsal de este estudio. "Es más, el estudio abre vías para mejorar básicamente el diseño de cualquier equipo que maneje ondas electromagnéticas, ultrasonidos o haces de partículas. Por ejemplo, también se aplica a las olas, utilizado con antenas espaciales para enfocarse en satélites o naves espaciales. Creemos que puede contribuir a diseñar mejores sistemas en vista microscópica sintética, telecomunicaciones e incluso dispositivos de microondas ".
