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    Tomografia de coerência óptica (OCT) - comprimentos de onda mais longos podem melhorar as profundidades de imagem

    À esquerda:visão geral do sistema OCT de 4 μm. O sistema OCT consiste em cinco partes que são conectadas por meio de fibra óptica:uma fonte SC de IR médio de banda larga baseada em uma bomba de laser MOPA e fibra de flúor, um interferômetro Michelson de espaço livre, uma varredura x, y estágio de tradução, um módulo de conversão ascendente de frequência, e um espectrômetro baseado em CMOS de silício. Tomografia de coerência óptica OCT, Infravermelho infravermelho, Supercontínuo SC, Amplificador de potência do oscilador mestre MOPA, Semicondutor de óxido metálico complementar CMOS. À direita:visão geral Configuração do sistema OCT de 1,3 µm usada como referência para comparação de suas imagens com as produzidas pelo sistema OCT de 4 µm. Os principais componentes são uma fonte supercontínua, acoplador de fibra (50/50), espectrômetro, amostra (S), e referência (R). S e R abrangem lentes de colimação (L), scanners galvonométricos (XY), objetivo de digitalização (SO), elemento de compensação de dispersão (DC). O gráfico mostra um exemplo de um interferograma de um espectro canalizado. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0122-5

    A tomografia de coerência óptica (OCT) é uma técnica de imagem baseada em luz atualmente usada em diagnósticos clínicos para examinar órgãos in vivo. A técnica usa interferometria; em que a luz refletida de um objeto examinado se combina com a luz de referência que não encontra o objeto para gerar padrões de interferência que formam imagens OCT 2-D e 3-D. É possível usar comprimentos de onda de luz mais longos na técnica de imagem para uma penetração mais profunda em materiais de dispersão de luz. Esses recursos oferecem possibilidades para OCT em testes não destrutivos (NDT) de amostras, e aprimoramento da imagem biomédica não invasiva. Em um estudo recente, Niels M. Israelsen e colegas de trabalho da Universidade Técnica da Dinamarca, junto com colaboradores na Áustria e no Reino Unido, desenvolveu um novo método para superar os desafios técnicos das imagens de OCT.

    No estudo, eles obtiveram imagens usando luz infravermelha média para revelar estruturas microscópicas não visíveis sob a luz infravermelha próxima convencional de comprimento de onda mais curto. Por esta, a equipe combinou experimentalmente luz supercontínua de banda larga e upconversion de frequência para aquisição de imagens em tempo real em alta resolução. Os resultados agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações , com potencial para avanços clínicos promissores na detecção de defeitos e medições de espessura in vivo. O potencial para melhorar a penetração em profundidade da OCT usando comprimentos de onda mais longos é conhecido desde seu início no início da década de 1990. O desenvolvimento da OCT no infravermelho médio foi desafiado por muito tempo por componentes ópticos nesta região espectral, resultando em aquisição lenta, baixa sensibilidade e baixa resolução axial.

    Israelsen et al. demonstraram o primeiro sistema prático de OCT infravermelho médio no presente estudo. Os pesquisadores usaram um sistema OCT de domínio espectral de infravermelho médio operando em um comprimento de onda central de 4 mícrons (µm) para fornecer uma resolução axial de 8,6 µm. As imagens produzidas pelo sistema de infravermelho médio foram comparadas com as fornecidas usando um sistema OCT de infravermelho próximo de ultra-alta resolução de última geração operando a 1,3 µm. A configuração experimental tem aplicações imediatas em testes não destrutivos em tempo real de amostras que exibem forte espalhamento em comprimentos de onda mais curtos.

    Como uma técnica óptica, OCT é mais adequado para biofotônica e imagens biomédicas clínicas, com notáveis ​​aplicações em oftalmologia. A técnica permite tempo real, medições não invasivas e sem contato para visualização de amostra 3-D. A configuração avançou rapidamente com fontes de luz avançadas, detectores e componentes na região espectral visível e próximo ao infravermelho para imagens de alta velocidade e alta resolução in vivo. O sistema OCT é uma tecnologia pronta para a indústria que é robusta e fácil de implementar usando baixa potência óptica. A principal limitação do sistema é a forte dispersão de luz em comprimentos de onda visível e infravermelho próximo que limitam a profundidade de penetração em meios turvos de algumas dezenas a centenas de mícrons, dependendo da amostra.

    Caracterização do sistema OCT de 4 μm. a) Superposição dos espectros SC antes (vermelho) e depois da conversão ascendente (azul escuro) junto com um exemplo do espectro de interferência (azul claro). b) Caracterização da resolução espacial lateral usando um gráfico de teste de resolução USAF 1951 (esquerda). Os menores recursos resolvíveis na imagem (direita) são os elementos 1 e 2 no grupo 6 marcados por setas vermelhas, o que dá uma resolução lateral de ~ 15 μm. c Curva de roll-off de sensibilidade mostrando uma faixa axial de OPD de até 2,5 mm. A inserção mostra um ajuste gaussiano do pico de varredura A preenchido com zero em ~ 100 μm OPD, dando uma resolução axial FWHM de 8,6 μm. Tomografia de coerência óptica OCT, Supercontínuo SC, Diferença de caminho óptico OPD, Meio máximo de largura total FWHM. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0122-5.

    Nesse trabalho, Israelsen et al. forneceu uma configuração experimental do sistema OCT infravermelho médio, com cinco partes modulares:

    1. Uma fonte supercontínua (SC) de infravermelho médio personalizado para iluminação, com base em uma bomba de laser de amplificador de potência de oscilador mestre (MOPA) e fibra de fluoreto de zircônio monomodo.
    2. Desenvolvido internamente, sistema de upconversion de frequência de banda larga para detecção.
    3. Um interferômetro Michelson de espaço livre
    4. Uma amostra de digitalização X, Sistema de estágio de tradução Y, e
    5. Um espectrômetro baseado em semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) de silício.

    Vídeo da pilha de cerâmica com imagem do topo usando OCT. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0122-5

    Para facilitar o acoplamento e alinhamento entre os subsistemas, os cientistas conectaram cada sistema com uma fibra óptica. Eles então focaram o feixe gerado na amostra usando um fluoreto de bário (BaF 2 ) lente, as imagens foram adquiridas movimentando a amostra nas etapas de tradução motorizada. Israelsen et al. coletou a amostra e os sinais de referência em uma fibra de fluoreto de índio de modo único para, então, retransmiti-los para o módulo de conversão ascendente para conversão espectral para o infravermelho próximo. Depois disso, eles demonstraram a superposição dos espectros de SC antes (vermelho) e depois da conversão ascendente (azul escuro), ao lado de um exemplo do espectro de interferência em azul claro.

    Por design, o módulo de conversão ascendente pode converter uma largura de banda larga de mais de 1 µm na região do infravermelho médio (3576-4625 nm) em uma banda estreita no infravermelho próximo (820-865 nm) sem ajuste paramétrico. O sinal de soma de frequência de infravermelho próximo gerado não perdeu nenhuma informação codificada no modo espectral do sinal de infravermelho médio. Uma vez que os detectores de infravermelho médio de última geração sofriam de ruído de fundo térmico intrínseco em comparação com seus equivalentes de infravermelho próximo, a tecnologia de upconversion de frequência não linear de banda larga permitiu uma detecção mais rápida e de baixo ruído no estudo.

    Demonstrando a redução no espalhamento múltiplo a 4 µm. Esquerda:fotografia de vista superior da alumina na folha de acetato de celulose com linhas pontilhadas verdes indicando as diferentes seções B-scan P1 – P5. Deve-se notar que P1 é um ponto de referência onde não há alumina depositada na folha. Meio:Varreduras B de amostra nas posições P1 – P5 usando o sistema OCT de 1,3 μm mostrando o efeito prejudicial da dispersão múltipla. À direita:varreduras B de amostra correspondentes nas posições P1-P5 usando o sistema OCT de 4 μm mostrando espalhamento significativamente reduzido. Abaixo:média de dez A-scans (correspondendo às linhas tracejadas verticais em P3) para ambos os sistemas de OCT. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0122-5

    Como prova de princípio do sistema de imagem de OCT desenvolvido no estudo, os cientistas replicaram com sucesso experimentos que foram conduzidos anteriormente por Su et al. em cerâmica industrial. O trabalho anterior determinou que um sistema OCT de comprimento de onda de 4 µm era capaz de gerar imagens por meio de uma placa de alumina fresada para revelar sua estrutura interna. Para testar isso, Israelsen et al. obteve amostras de cerâmica semelhantes do mesmo fornecedor; onde a pilha de cerâmica continha três camadas de placas (C1-C3; zircônio, Alumina de 476 µm de espessura e alumina de 300 µm de espessura). A amostra foi digitalizada e fotografada da placa de zircônio superior para baixo, os resultados foram consistentes com os achados anteriores. Para apoiar ainda mais as descobertas, os cientistas realizaram uma série de simulações de Monte Carlo usando o software de código aberto MCX, para confirmar qualitativamente a visualização aprimorada de interfaces em profundidade nas imagens de OCT de 4 µm.

    Os cientistas, então, mostraram dispersão reduzida para OCT de 4 µm em comparação com a configuração de OCT de 1,3 µm usando um material de fita de alumina. Os resultados indicaram que a distorção da imagem devido à dispersão foi menos pronunciada no sistema OCT de 4 µm. O recurso pode ser útil para caracterizar dispositivos baseados em silício, incluindo sistemas microeletromecânicos, células solares e guias de ondas.

    Para imagens 3-D mais complexas, estruturas não uniformes, os cientistas criaram imagens de um Europay, MasterCard, Visa-chip (chip EMV) e uma antena de comunicação de campo próximo embutida em um cartão de crédito padrão. Os cartões de crédito são normalmente feitos de várias camadas de polímero laminado misturadas com uma variedade de corantes e aditivos. Usando a configuração OCT de 4 µm, os cientistas identificaram três camadas de polímeros de alta dispersão, que não pôde ser penetrado pelo sistema OCT de 1,3 µm devido às suas propriedades de alto espalhamento na região do infravermelho próximo.

    Em alguns casos, eles até detectaram a parte traseira do cartão com uma espessura de 0,76 mm. Israelsen et al. observou que abaixo da primeira camada de polímero de dispersão, uma camada de encapsulamento protegia o microprocessador de silício embutido. Eles também observaram os fios e os circuitos ligados que conectavam o microprocessador à almofada de contato de ouro subjacente.

    Vídeo de cartão de crédito sob OCT. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0122-5

    Trabalho de pesquisa de Israelsen et al. indicaram que o sistema de OCT de 4 µm foi superior ao sistema de OCT de 1,3 µm. Como as imagens de OCT em comprimentos de onda mais longos aumentaram a absorção de água nas amostras, isso excluiu naturalmente as amostras biológicas da configuração. Contudo, o sistema era notavelmente desprovido de ressonâncias vibracionais (ou seja, apresentava baixo ruído e espalhamento reduzido) e, portanto, ideal para testes não destrutivos (NDT) de estruturas sólidas.

    Desta maneira, Israelsen et al. demonstrado rápido, tempo real, imagem de OCT de domínio espectral na região do infravermelho médio. A resolução axial resultante de amostras com imagens foi de até 8,6 µm, juntamente com uma resolução lateral de 15 µm para obter detalhes microscópicos de estruturas incorporadas em meios de alta dispersão. Os resultados foram superiores em comparação com a configuração mais convencional de OCT de comprimento de onda de 1,3 µm. Os cientistas validaram meticulosamente os novos resultados, replicando com sucesso os relatórios anteriores. O novo trabalho preenche uma lacuna ao realizar a tecnologia mid-IR OCT em tempo real para aplicações práticas como uma ferramenta pronta para a indústria para testes não destrutivos.

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