Punktgenau fokussiertes Licht

Kompaktes und flexibles Faserdesign sorgt dank 3D-Druck für effiziente Fokussierung und gestochen scharfe Bilder.

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Korea, Australien, Großbritannien und Deutschland konnte – unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) – erstmals eine optische Glasfaser so optimieren, dass Licht verschiedener Wellenlängen äußerst präzise fokussiert werden kann. Erreicht wird diese Genauigkeit über den 3D-Nanodruck einer optischen Linse, die auf das Ende der Faser aufgebracht ist. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie und Endoskopie sowie in der Lasertherapie und Sensorik. Ihre Ergebnisse publizierten die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Linsen an den Endflächen optischer Fasern, die gegenwärtig in der Endoskopie für die medizinische Diagnostik Einsatz finden, haben den Nachteil der chromatischen Aberration. Dieser Abbildungsfehler von Optiken, der dadurch entsteht, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen, das heißt unterschiedlicher Spektralfarben, verschieden geformt und gebrochen wird, führt zur Verschiebung des Fokuspunktes und damit zu Unschärfe in der Bildgebung über einen breiten Wellenlängenbereich. Abhilfe schaffen achromatische Linsen, die diese optischen Abbildungsfehler minimieren können.

Metalinse für exakte Lichtfokussierung

Eine solche achromatische Linse, sogenannte Metalinse, die an der Endfläche einer optischen Faser angebracht ist und die Fokussierung sowie Abbildung kleinster Details mit tiefenscharfer Bildgebung erlaubt, konnte nun erstmals von einem internationalen Team realisiert werden. „Für eine ideale Lichtformung und achromatische Fokussierung haben wir eine ultradünne polymerbasierte Linse realisiert, welche aus einem komplexen Design geometrischer Strukturen in Form von Nanosäulen besteht. Diese Struktur wurde direkt auf die Spitze einer 3D-gedruckten Hohlturmstruktur auf eine der Endflächen einer kommerziellen optischen Faser gedruckt. Auf diese Weise können Glasfasern derart funktionalisiert werden, dass Licht sehr effizient auf einen Brennpunkt fokussiert und Bilder mit hoher Auflösung erzeugt werden können“, erklärt Prof. Dr. Markus Schmidt, Leiter der Abteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT, der die optische Linse mitentwickelte.

Die von den Forschenden realisierte Metalinse verfügt über einen Linsendurchmesser von 100 Mikrometer und eine numerische Apertur (NA) von 0,2, was im Vergleich zu bisher genutzten achromatischen Linsen auf dem Ende von Faserendflächen deutlich höher ist und damit ein besseres Auflösungsvermögen erreicht. Die Linse erlaubt die Korrektur von optischen Abbildungsfehlern sowie Licht in einer spektralen Bandbreite von 400 Nanometern im Infrarotbereich sehr genau zu fokussieren. „Bemerkenswert ist, dass die individuellen Nanosäulen unterschiedliche Höhen im Bereich von 8,5 bis 13,5 Mikrometern aufweisen. Letztendlich lassen sich dadurch die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts in einem einzigen Brennpunkt fokussieren“, so Prof. Dr. Markus Schmidt.

In experimentellen Studien konnten die Forschenden die Linsen- und Fokussiereffizienz der entwickelten Faseroptik am Beispiel der faserbasierten konfokalen Scanning-Bildgebung nachweisen: Mithilfe einer Faser mit achromatischer Metaoptik erzielten sie eine überzeugende Bildqualität mit hoher Bilderfassungseffizienz und hohem Bildkontrast bei verschiedenen Wellenlängen. Die Fokuspositionen blieben auch bei unterschiedlichen Wellenlängen nahezu konstant.

Optimale Lichtformung für breite Anwendungsbereiche

„Da die entwickelte nanostrukturierte Metalinse äußerst klein und flach ist, bietet ein faseroptisches Design mit achromatischer Optik an der Spitze das Potential, miniaturisierte und flexible endoskopische Bildgebungssysteme basierend auf Fasertechnologie weiter voranzubringen und noch schonendere minimal-invasive Untersuchungen zu ermöglichen“, erläutert Prof. Dr. Markus Schmidt ein mögliches Einsatzszenario. Neben diesem Hauptanwendungsbereich sehen die Forschenden weitere Einsatzgebiete im Bereich der Laser-gestützten Therapie und Chirurgie, in der faseroptischen Kommunikation sowie in der Fasersensorik.

Die realisierte Metalinse auf der Endfläche einer optischen Faser ist das Ergebnis einer gemeinsamen und internationalen Zusammenarbeit von Forschenden der Monash Universität in Melbourne, Australien, der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Pohang, Korea, der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des POSCO-POSTECH-RIST Konvergenzforschungszentrums für flache Optik und Metaphotonik in Pohang, Korea, des Imperial Colleges London, Großbritannien, sowie des Leibniz-IPHT.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Über das Leibniz-Institut für Photonische Technologien

Im Mittelpunkt der Forschung am Leibniz-IPHT steht das Licht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen innovative photonische Verfahren und Werkzeuge für die Anwendung in der klinischen Diagnostik, etwa der Infektions- und Krebsdiagnostik, der Pharmazie und Prozesskontrolle sowie in der Lebensmittel- und Umweltsicherheit. Ein wesentliches Ziel ist es, die Translation zu beschleunigen: die Umsetzung von Forschungsergebnissen in die Praxis — from Ideas to Instruments. https://www.leibniz-ipht.de/

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Markus Schmidt
Leiter Abteilung Faserphotonik
Telefon: +49 (0) 3641 · 206-140
Email: markus.schmidt@leibniz-ipht.de

Originalpublikation:

Ren, Haoran et. al, Nature Communications, Volume 13, 2022,
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31902-3

www.leibniz-ipht.de/de/metalinse-fokusiert-licht-verschiedener-wellenlaengen/