Um dos desafios da microscopia óptica é aumentar continuamente o poder de imagem, ou resolução. Nos últimos trezentos anos ímpares, os cientistas vêm construindo microscópios cada vez melhores. O limite, por muito tempo, foi determinado por apenas dois fatores:o contraste do objeto que está sendo visto, e o poder de resolução da óptica no microscópio. Nos últimos 50 anos, em particular, levaram a uma explosão de técnicas para melhorar o contraste do objeto e a qualidade da ótica.

Uma dessas tecnologias é chamada de superlente. A superlente faz uso de algumas das peculiaridades das ondas para ser capaz de resolver detalhes que, de outra forma, estariam ocultos. Agora, pesquisadores da Universidade de Nanjing, na China, publicaram resultados sobre uma matriz de guia de ondas que fornece muitos dos benefícios de uma superlente. Junto com isso, a matriz de guia de ondas não tem as dificuldades tecnológicas que geralmente estão associadas à fabricação de superlentes.

Essa lente é super

Para entender as superlentes, ajuda a entender como uma imagem é formada. Vamos começar com algo como a cabeça de um alfinete contra um fundo sem características. Quando a luz brilha no pino, ele se espalha em todas as direções. Os detalhes da imagem são mantidos na intensidade e nas direções em que a luz é espalhada. Contudo, as lentes têm um tamanho limitado, limitar a quantidade de luz capturada. A imagem que é reconstruída a partir da luz capturada pela lente não terá os detalhes transportados pela luz que nunca atingiu a lente. Nossa imagem é imperfeita.

Para os melhores recursos, não há ângulo em que uma lente possa capturar a luz, porque a luz não viaja. Em vez de, a onda morre rapidamente (exponencialmente), e dentro de alguns comprimentos de onda, a intensidade é muito próxima de zero. Uma lente, com uma distância de trabalho típica de um microscópio, não irá capturar as chamadas ondas evanescentes.

Uma superlente é projetada para capturar essas ondas evanescentes que prendem os detalhes. Para habilitar isso, a lente deve ser construída a partir de um metamaterial que tenha um índice de refração negativo (os materiais normais têm um índice de refração positivo). Contudo, metamateriais não são fáceis de fazer, e não têm um bom desempenho. A maior parte da luz que atinge uma superlente é refletida nela, enquanto internamente, as substâncias que são usadas para criar o metamaterial absorvem muita luz. Portanto, a lente captura pequenos detalhes, mas o contraste da imagem é pobre.

É aqui que entra o trabalho de Song e de seus colegas de trabalho. Suas lentes consistem em uma série de guias de ondas colocados muito próximos uns dos outros. Cada guia de ondas captura a luz logo na frente da abertura do guia de ondas. A luz é transportada para a outra extremidade da matriz de guia de ondas, onde é usado para (em princípio) recriar uma imagem.

Controle de fluxo de guia de ondas

Guias de onda com espaçamento próximo não transportam imagens. Quando os guias de ondas estão próximos, a luz flui de um guia de ondas para outro. Uma imagem será completamente aleatória se for transportada em uma densa matriz de guias de ondas.

Para contornar este problema, os pesquisadores exploraram como funciona o acoplamento entre os guias de onda. Em guias de ondas paralelas retas, o acoplamento entre as matrizes pode ser representado por um número positivo fixo. Este número fornece a fração de luz que troca os guias de onda em função da distância. Contudo, se os guias de ondas são paralelos, mas serpenteia em forma de onda, então o acoplamento pode ser negativo.

Para ser mais concreto:imagine dois guias de ondas próximos e retos. A luz entra em um guia de ondas e se espalha para o segundo a uma taxa dada pela constante de acoplamento. A luz então entra no meandro, que tem um coeficiente de acoplamento de tamanho igual, mas é negativo. Esta seção desfaz a propagação exatamente para que toda a luz saia do mesmo guia de ondas em que entrou.

Os pesquisadores demonstraram esse efeito com uma série de 13 guias de ondas. Eles mostraram que a luz sairia de forma consistente do guia de ondas ao qual estava acoplada, apesar da mistura severa na seção reta.

Este é apenas o começo da história. As imagens podem ser construídas digitalizando a matriz de guia de ondas. A resolução pode ser aumentada tornando a abertura dos guias de ondas menor.

A estrutura demonstrada tem outros usos. Os circuitos ópticos integrados para computação e comunicações são, em comparação com os sistemas eletrônicos, ampla. O espaçamento é ditado pela necessidade de controlar o acoplamento entre guias de ondas vizinhas. Esta pesquisa mostra como ter guias de onda de alta densidade sem acoplamento indesejado. No fim, que pode encontrar aplicações mais difundidas do que imagens de alta resolução.