Pesquisadores desenvolveram um novo método para criar de forma flexível vários feixes de laser em forma de agulha. Esses feixes longos e estreitos podem ser usados ​​para melhorar a tomografia de coerência óptica (OCT), uma ferramenta de imagem não invasiva e versátil que é usada para pesquisas científicas e vários tipos de diagnósticos clínicos.
“Os feixes de laser em forma de agulha podem efetivamente estender a profundidade de foco de um sistema OCT, melhorando a resolução lateral, a relação sinal-ruído, o contraste e a qualidade da imagem em uma longa faixa de profundidade”, disse o líder da equipe de pesquisa Adam de la Zerda da Faculdade de Medicina da Universidade de Stanford. "No entanto, até agora, a implementação de um feixe específico em forma de agulha era difícil devido à falta de um método de geração comum e flexível".

Em Óptica , os pesquisadores descrevem sua nova plataforma para criar vigas em forma de agulha com diferentes comprimentos e diâmetros. Ele pode ser usado para criar vários tipos de feixes, como um com uma profundidade de campo extremamente longa ou um que é menor que o limite de difração da luz, por exemplo.

Os feixes em forma de agulha gerados com este método podem beneficiar uma variedade de aplicações de OCT. Por exemplo, a utilização de um feixe longo e estreito pode permitir imagens OCT de alta resolução da retina sem qualquer foco dinâmico, tornando o processo mais rápido e, portanto, mais confortável para os pacientes. Também poderia estender a profundidade de foco para endoscopia OCT, o que melhoraria a precisão do diagnóstico.

“A rápida capacidade de imagem de alta resolução dos feixes em forma de agulha também pode eliminar os efeitos adversos que ocorrem devido aos movimentos humanos durante a aquisição da imagem”, disse o primeiro autor do artigo, Jingjing Zhao. "Isso pode ajudar a identificar melanoma e outros problemas de pele usando OCT".

Uma solução flexível

Como uma ferramenta de imagem não invasiva, a OCT apresenta uma resolução axial constante ao longo de sua profundidade de imagem. No entanto, sua resolução axial, que é determinada pela fonte de luz, tem uma profundidade de foco muito pequena. Para resolver esse problema, os instrumentos de OCT geralmente são feitos para que o foco possa ser movido ao longo da profundidade para capturar imagens nítidas de toda uma região de interesse. No entanto, esse foco dinâmico pode tornar a geração de imagens mais lenta e não funciona bem para aplicativos em que a amostra não é estática.

A OCT normalmente usa uma lente objetiva que gera um ponto focal com uma única e curta profundidade de foco. Para aumentar a profundidade de foco, os pesquisadores usaram um elemento óptico difrativo conhecido como máscara de fase que usa microestruturas para criar vários padrões de luz, resultando em vários pontos focais ao longo da direção axial. Eles projetaram a máscara de fase com grupos de pixels que foram distribuídos aleatoriamente e especialmente padronizados para criar um novo foco diferente do original. A máscara de fase inteira pode então ser usada para gerar focos densamente espaçados na direção axial, formando um feixe em forma de agulha com uma longa profundidade de foco.

"A flexibilidade é a principal vantagem desta nova abordagem", disse Zhao. "Tanto o comprimento do feixe quanto seu diâmetro podem ser alterados com flexibilidade e precisão, modificando os locais dos focos e a diferença de fase entre cada dois focos adjacentes." Essa flexibilidade é possível graças a um modelo computacional desenvolvido pelos pesquisadores para revelar a relação entre as propriedades do feixe e os parâmetros de projeto dos múltiplos focos de forma precisa e quantitativa. Eles também desenvolveram um procedimento de fabricação de alto desempenho para fazer elementos ópticos difrativos com base nos cálculos do modelo.

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Selecionando o feixe certo

Para testar seu modelo, os pesquisadores criaram formas de feixe adequadas para imagens de vários tipos diferentes de amostras. Por exemplo, para obter imagens de células individuais dentro de uma camada inteira de epiderme humana, eles criaram um feixe em forma de agulha com um diâmetro menor que 2 mícrons (resolução celular) e um comprimento de pelo menos 80 mícrons (espessura da epiderme). Eles também foram capazes de capturar imagens dinâmicas de alta resolução de um coração batendo em uma larva viva de drosófila, que é um organismo modelo importante para estudar doenças cardíacas. Isso exigia um feixe de 700 mícrons de comprimento e 8 mícrons de diâmetro para visualizar a estrutura do órgão em uma longa faixa de profundidade.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar a abordagem, substituindo o elemento óptico difrativo e a objetiva atualmente usada para fazer um feixe em forma de agulha por uma única metalena plana com base em seu modelo. Esse metalens poderia ser colocado no crânio de um camundongo para observar a dinâmica dos neurônios dentro do cérebro do camundongo em tempo real, por exemplo.

O novo trabalho também pode encontrar aplicações além da melhoria do OCT. "Feixes em forma de agulha podem ser usados ​​para melhorar a resolução de todos os sistemas de microscopia, incluindo manipulação de partículas com pinças ópticas, processamento de materiais, microscopia confocal, microscopia multifotônica, fotolitografia e tomografia fotoacústica", disse Zhao. "Nosso modelo também pode ser aplicado a ondas eletromagnéticas para imagens de terahertz e até mesmo às ondas mecânicas usadas em imagens de ultrassom". + Explorar mais

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