La dernière avancée dans un nouveau type d'optique visant à améliorer la microscopie a commencé avec une partie de tennis il y a trois ans.

Se détendre après une longue journée de recherche dans leurs laboratoires respectifs, Mooseok Jang (Ph.D. '16) et Yu Horie (qui obtiendra son doctorat en juin 2018)—à l'époque, les deux étudiants diplômés de Caltech se sont retrouvés pour une partie de tennis sur les courts du Braun Athletic Center de Caltech.

Jang, un étudiant de Changhuei Yang, le professeur Thomas G. Myers de génie électrique, Bio-ingénierie, et le génie médical de la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées - travaillaient sur une technologie de microscopie naissante qui utilise la diffusion de la lumière pour contourner le compromis traditionnel entre la résolution (la quantité de détails que vous capturez) et le champ de vision (la zone que vous capturez). La recherche avait rencontré un obstacle :les outils utilisés pour diffuser la lumière étaient difficiles à prévoir et peu fiables.

Pendant le match de tennis, Jang a décrit cette énigme frustrante à Horie, un étudiant du professeur assistant de physique appliquée et de science des matériaux Andrei Faraon (BS '04). Dans le laboratoire de Faraon, Horie a travaillé sur les métasurfaces, qui sont des feuilles de matériau dont les propriétés électromagnétiques peuvent être modifiées à la demande. Faraon, un ingénieur en nanophotonique, crée des métasurfaces parsemées de tenons nanométriques en nitrure de silicium. Ces nanopostes sont capables de manipuler la lumière avec une grande précision, par exemple, pour courber la lumière comme une lentille ou coder des hologrammes sur une surface plane. Alors que leur conversation passait des courts de tennis au café au Red Door Marketplace de Caltech, Jang et Horie ont réalisé que l'expertise de leurs laboratoires respectifs pouvait être combinée pour créer un système plus fiable, matériau de diffusion de la lumière prévisible.

« Pendant que nous parlions, il est devenu clair que nous pouvions travailler ensemble pour résoudre ce problème, " dit Jang.

La pratique de la diffusion de la lumière pour prendre une image haute résolution avec un large champ de vision semble contre-intuitive, mais les démonstrations au cours de la dernière décennie ont montré qu'il peut être efficace. Alors que la lumière diffusée ne se propage pas de manière simple comme la lumière passant à travers une lentille, il peut être traité pour une focalisation et une imagerie optiques haute résolution à l'aide d'un dispositif appelé modulateur spatial de lumière (SLM), qui regroupe et dirige les composants dispersés bruts pour permettre un contrôle optique haute fidélité. Le résultat est une image avec un nombre accru de points focaux résolubles qui sont répartis sur un champ de vision plus large, en d'autres termes, un plus clair, image plus large.

Le problème, cependant, est que cette stratégie est difficile à mettre en œuvre concrètement, jusqu'à l'inutilité. Afin de donner un sens à la lumière brouillée, le SLM doit savoir exactement comment il a été affecté par le milieu de diffusion. Différents types de supports de diffusion actuellement utilisés, y compris le ruban adhésif, sont remplis de particules en suspension situées de manière aléatoire. Lorsqu'un morceau de ruban adhésif est placé sur le trajet d'un faisceau lumineux, ces particules font un excellent travail de diffusion de la lumière de manière aléatoire, qui est le but. Cependant, en raison de la nature aléatoire inhérente de leur emplacement dans la bande, le processus de mesure peut prendre des semaines pour caractériser complètement la diffusion et permettre une mise au point de haute qualité sur le nombre maximal de points individuels dans une image. Pire, les particules en suspension ont la mauvaise habitude de migrer dans la bande, même pendant le processus d'étalonnage, ce qui a le potentiel de rendre le processus de mesure laborieusement long sans valeur au moment où il est terminé.

Avec un milieu diffusant comme du ruban adhésif, cette caractérisation a traditionnellement signifié calibrer le support en projetant des images connues à travers lui à l'aide du SLM, puis en travaillant en arrière pour déterminer l'action du support sur la lumière entrante, puis en répétant ce processus encore et encore pour caractériser complètement le support.

Cependant, en utilisant les métasurfaces générées dans le laboratoire de Faraon - des matériaux qui diffusent la lumière de manière tout à fait prévisible - le temps d'étalonnage pourrait passer de quelques heures à quelques minutes, convertir le processus de mesure fastidieux en une simple procédure d'alignement. En prime, un recalibrage ne serait jamais nécessaire.

"Je pense que le Dr Yang et ses collègues étaient sceptiques au début quant à la possibilité de contrôler la lumière avec une telle précision en utilisant ces métasurfaces, " dit Horie. Ils ont finalement été convaincus, cependant, et dans un article publié dans Nature Photonics ce mois-ci, les deux laboratoires démontrent la production d'une image à haute résolution - correspondant à une ouverture numérique supérieure à 0,5 - avec un champ de vision relativement large (8 millimètres). L'image avait environ 2,2 milliards de points focaux individuels. En comparaison, un microscope typique de haute qualité avec la même ouverture numérique produit un ordre de grandeur moins de foyers.

Avec des améliorations continues comme celle-ci, les scientifiques et les pathologistes pourront numériser des échantillons avec des microscopes plus rapidement et à une résolution plus élevée.

« L'espoir est que nos travaux suscitent un intérêt accru pour ce domaine de l'optique et rendent ce type de microscopie et ses avantages réalisables pour la pratique, utilisation quotidienne - pas seulement comme preuve de concept, " dit Josh Brake (MS '16), un étudiant diplômé du laboratoire de Yang qui continue de travailler sur le projet avec Faraon et Yang.

Depuis leur collaboration révolutionnaire, Jang et Horie ont terminé leurs travaux de doctorat et se sont séparés :Jang est retourné dans sa Corée natale, où il poursuit ses recherches dans le cadre de son service militaire obligatoire, tandis que Horie a pris un emploi chez Apple. Les deux restent en contact, bien que. Et les deux jouent encore au tennis.

L'article de Nature Photonics s'intitule "Formation de front d'onde avec des métasurfaces modifiées par le désordre".