Optische Multimode-Fasern (MMFs) sind haarfeine Glasstränge, die in lichtleitenden Anwendungen allgegenwärtig sind. Ihre Entwicklung ging Hand in Hand mit dem enormen Wachstum der schnellen Übertragung von Informationen auf der ganzen Welt.
Der geringe Platzbedarf von MMFs macht sie auch zu interessanten Kandidaten für Mikroendoskope der nächsten Generation, um optische Mikroskopie tief in den Körper zu bringen. Die praktische Informationskapazität von MMFs ist jedoch durch modale Dispersion begrenzt – ein Mechanismus, der die räumliche Information, die sich durch MMFs ausbreitet, durcheinanderwirbelt.
Daher ist die direkte Übertragung von Bildern durch MMFs äußerst schwierig: Ein Bild, das auf ein Ende projiziert wird, ist bis zum Erreichen des anderen Endes unkenntlich verwürfelt. Bahnbrechende Forschung im letzten Jahrzehnt hat gezeigt, wie die durch MMFs verursachte optische Verschlüsselung gemessen und rückgängig gemacht werden kann. Jetzt hat ein Forscherteam der University of Exeter und des Leibniz Institute of Photonic Technology auf dieser Idee aufgebaut und eine neue Bildgebungsstrategie vorgeschlagen, die als optische Inversion bezeichnet wird.
Die Studie wurde veröffentlicht in Intelligentes Rechnen.
„Die Mehrheit der bisher demonstrierten Bildgebungstechniken beruht auf Rasterabtastung oder sequentieller Musterprojektion, was im Wesentlichen bedeutet, dass Licht in einem räumlichen Modus nach dem anderen entschlüsselt wird.“ Hauptautorin Dr. Unė Būtaitė sagte:
„Dies schließt derzeit die Bereitstellung von Weitfeld-Bildgebungstechniken durch MMFs aus. Beispielsweise gibt es derzeit keine Möglichkeit, Weitfeld-Bildgebung mit Superauflösung an der Spitze eines MMF durchzuführen – was ein sehr wünschenswerter Weg wäre, um ein tieferes Verständnis zu erlangen von biologischen Prozessen im Körper.“
Um dieses Problem zu lösen, schlagen und entwerfen Forscher ein passives optisches Gerät, das als optischer Inverter bezeichnet wird. Dr. Būtaitė erklärte: „Unser Inverter kann als maßgeschneidertes Streumedium verstanden werden, das als Ergänzung zu einem MMF entwickelt wurde, um dessen optische Effekte aufzuheben.“
Die räumlichen Informationen werden verschlüsselt, nachdem das von der Szene ausgehende Licht durch MMF übertragen wurde, aber der optische Inverter verschlüsselt das Licht genau entgegengesetzt zur Faser, wodurch es möglich wird, das Bild der Szene passiv und vollständig neu zu formen. optisch in wenigen Nanosekunden.
Verschiedene Szenarien wurden simuliert, um die Leistung des optischen Wechselrichterdesigns des Forschers zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein optischer Inverter das Potenzial hat, Einzelschuss-Weitfeld-Bildgebung und Bildgebung mit Superauflösung durch MMFs zu erreichen. Darüber hinaus kann sich der optische Inverter durch Integrieren von optischen Speichereffekten in sein Design dynamisch anpassen, um durch flexible Fasern zu sehen.
Dr. David Phillips, leitender Autor des Projekts, sagte: „Der Hauptvorteil unseres Konzepts besteht darin, dass es jede Form der Weitfeldmikroskopie an der Spitze eines haardünnen MMF-Strangs ermöglicht, der potenziell in eine Nadel geladen werden kann um Szenen tief im Inneren des Körpers zu sehen. Dazu gehören leistungsstarke neue Bildgebungstechniken wie die lokalisierungsbasierte superauflösende Bildgebung sowie andere neue Formen der parallelisierten superauflösenden Mikroskopie, der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie und der Einzelobjektiv-Lichtblattmikroskopie.“
„Darüber hinaus wird auch eine Single-Shot-Weitfeld-Bildgebung in jeder Entfernung über das distale Ende einer kurzen MMF-Länge hinaus möglich.“
Für die Zukunft prognostizieren die Forscher weitere Anwendungen für diese Forschung. Dr. Phillips sagte: „Die hier beschriebene optische Inversionsstrategie kann möglicherweise erweitert werden, um Licht zu entschlüsseln, das durch andere Objekte wie Wellenleiter aus photonischen Kristallen, photonischen Laternen oder biologischem Gewebe gegangen ist.“
„Schließlich gehen wir davon aus, dass die rein optische Inversion von Streulicht eine Reihe von Anwendungen finden wird, die über die optische Bildgebung hinausgehen: davon profitieren die Bereiche Modenmultiplex für optische Hochleistungskommunikation sowie Quantenkryptographie und klassisches und quantenoptisches Computing. Das sind wir Ich bin gespannt, wohin diese Technologie führt.“
Mehr Informationen:
Unė G. Būtaitė et al, How to Build the „Optical Inverse“ of a Multimode Fiber, Intelligentes Rechnen (2022). DOI: 10.34133/2022/9816026
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