(A) Uma pedra caindo em uma lagoa produz ondas circulares completas que são centralizadas no ponto de impacto, e essas ondas voltariam a se propagar naquele mesmo ponto se o tempo pudesse ser revertido. Usando este argumento de reversão do tempo, se gerar ondas circulares de propagação reversa a partir de um arco limitado, eles não necessariamente se concentrarão no centro. (B) Representação de como os efeitos de difração competem com o foco por um feixe de tamanho inicial diferente, essa é uma abertura diferente. Indo da esquerda para a direita no eixo x, o tamanho do feixe de entrada (tamanho da abertura, linha laranja) aumenta. Para um feixe grande, o foco é forte, levando a uma pequena seção transversal no plano focal (linha azul). Se a abertura for reduzida, uma situação crítica é atingida (linha tracejada). No ponto crítico onde as duas linhas se cruzam, os efeitos de foco e difração são iguais, e a energia (vermelho) é melhor focada entre a lente e o plano focal inicial, o que significa que o plano focal efetivo mudou em direção à lente. Aberturas extremamente pequenas correspondem a uma fonte pontual e produzem difração sem foco. Crédito:Institute for Basic Science
Os cientistas descobriram uma nova propriedade de propagação de ondas que leva a uma nova maneira de melhorar a resolução de praticamente todas as tecnologias ópticas, incluindo lentes de microscópio, telecomunicações, litografia baseada em laser, imagens biológicas e astronômicas. Todos esses sistemas transmitem informações e energia por meio da propagação das ondas. Pesquisadores do Institute for Basic Science descobriram que, se a luz passa por aberturas assimétricas, o astigmatismo surge e pode degradar a resolução da imagem. Tendo identificado este problema anteriormente insuspeitado, os pesquisadores mostraram como remediar.
Enquanto lê, a lente do olho focaliza a luz na parte de trás do olho. Contudo, se o poder de foco horizontal e vertical da lente for diferente, este texto aparecerá desfocado:Por exemplo, as linhas verticais e horizontais que formam a letra "T" não entrarão em foco juntas. Para evitar esse defeito de foco, lentes artificiais são projetadas de forma otimizada para mudar a forma das frentes de onda de luz de planas para frentes de onda perfeitamente esféricas, porque se acredita que as frentes de onda esféricas necessariamente focam em seu centro de curvatura único. Publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), este estudo mostra que os cientistas devem reexaminar essa crença e revisitar suas estratégias de design.
Um exemplo de propagação de ondas são ondas circulares criadas por uma pedra jogada em um lago. O ponto exato em que a pedra atinge a água determina a posição e o formato das ondas. Se você pudesse voltar no tempo, essas ondas circulares voltariam a se concentrar no ponto de impacto inicial com precisão, porque as informações sobre a localização do ponto não são perdidas durante a propagação da onda. Este exemplo 2-D pode ser estendido para uma situação 3-D em que as ondas são esféricas e focam novamente exatamente no centro da esfera. Contudo, na vida real, a luz geralmente se concentra de um lado ao longo de alguma direção e não de todas as direções, e a imagem ideal de focalizar de um círculo completo ou de uma esfera inteira nunca é exatamente relevante.
"Uma onda esférica completa é simétrica e tem seu foco exatamente no centro da esfera. No entanto, para manter essa simetria esférica, a luz deve se propagar de todas as direções para a amostra. E isso praticamente nunca acontece. As frentes de onda são passadas por uma abertura que é limitada a uma parte de uma esfera, em vez da esfera inteira. Consequentemente, a simetria esférica é quebrada e as informações são perdidas, "diz o Prof. François Amblard, autor correspondente do estudo. No caso da lagoa, isso seria semelhante a voltar no tempo para tentar redirecionar um arco de onda limitado, em vez das ondas circulares completas:essas ondas de arco não convergiriam necessariamente para o mesmo ponto de impacto, porque as informações sobre a localização central foram parcialmente perdidas.
Os pesquisadores do IBS aumentaram a resolução do LTFM restaurando a simetria circular do feixe do LTFM. Imagens de uma fatia de pulmão de camundongo marcado com fluorescência mostram que o LTFM aprimorado atinge uma resolução mais alta do que o PSM, um resultado nunca alcançado antes. Crédito:Institute for Basic Science
A equipe IBS provou que conforme a abertura fica menor, o foco muda para trás em direção à lente, de modo que o foco inicial não esteja mais em foco. Como consequência, se a abertura não for igual nos planos vertical e horizontal, as mudanças focais serão diferentes entre essas direções, levando ao astigmatismo. "O astigmatismo pode ocorrer mesmo com a lente mais perfeita se for usada com uma abertura não circular, "explica Kai Lou, primeiro autor do estudo.
A equipe aplicou a ideia para melhorar uma técnica chamada microscopia de focalização linha-temporal (LTFM, também chamado de focalização espaço-temporal), que faz uso de um feixe de entrada naturalmente assimétrico. Como o LTFM é um método usado para visualizar estruturas biológicas profundas, os pesquisadores testaram sua estratégia de correção de deslocamento focal com tecidos pulmonares de camundongos. Uma resolução sem precedentes foi obtida, que até superou uma técnica clássica chamada microscopia de varredura pontual (PSM).
Como esse conhecimento contribui para uma melhor resolução? Mesmo que esse efeito seja muito pequeno e possa ser ignorado para aplicativos comuns, a correção do astigmatismo induzido pela abertura pode fazer uma diferença significativa em sistemas delicados como a microscopia avançada. Entender que o astigmatismo é intrínseco à simetria circular quebrada pode ajudar a projetar correções adaptadas ao formato da abertura, especialmente em campos como astronomia, telecomunicação, ou com ultrassons, onde aberturas não circulares não podem ser evitadas.
"No futuro, planejamos aplicar o astigmatismo induzido pela abertura a tecnologias de transferência de informações ainda mais complexas, "disse Steve Granick, co-autor correspondente deste estudo. "Além disso, o estudo abre caminhos para basicamente melhorar o projeto de qualquer equipamento que lide com ondas eletromagnéticas, ultrassons, ou feixes de partículas. Por exemplo, também se aplica a ondas, usado com antenas espaciais para se concentrar em satélite ou nave espacial. Acreditamos que pode contribuir para projetar melhores sistemas de visão microscópica sintética, telecomunicações, e até mesmo dispositivos de micro-ondas. "
