Bessere Fokussierung in Glasfasern mit Metalinsen
Achromatische, optische Linse aus dem 3D-Nanodrucker reduziert Abbildungsfehler.
Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Korea, Australien, Großbritannien und Deutschland konnte unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien 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.
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 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. Eine solche achromatische 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“, sagt Markus Schmidt, Leiter der Abteilung Faserphotonik. Die von den Forschenden realisierte Metalinse verfügt über einen Linsendurchmesser von einhundert 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 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.
„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“, sagt Markus Schmidt. Neben diesem Hauptanwendungsbereich sehen die Forschenden weitere Einsatzgebiete im Bereich der Laser-gestützten Therapie und Chirurgie, in der faseroptischen Kommunikation sowie in der Fasersensorik.
IPHT / JOL
