Ein Team von Forschern aus Korea, Großbritannien, Australien und Deutschland hat gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) eine optische Glasfaser so optimiert, dass Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen präzise fokussiert werden kann. Mit Nano-3D-Druck stellten sie eine optische Linse her und befestigten sie am Ende der Faser. Diese verhalf ihnen zu mehr Genauigkeit. In ihrer Arbeit mit dem Titel „An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range„, die sie im Fachmagazin Nature Communications veröffentlichten, erklären die Forscher, dass ihre Entwicklung neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Endoskopie, der Mikroskopie, der Lasertherapie oder der Sensorik eröffnet.
Abbildungsfehler minimieren
Das Endoskop, ein Instrument aus der medizinischen Diagnostik, besteht aus Lichtwellenleitern, an deren Endflächen Linsen angebracht werden. Die dabei mögliche chromatische Aberration, ein Abbildungsfehler der Optik, kann jedoch zu unscharfen Abbildungen führen. Solch ein Abbildungsfehler entsteht, da Licht unterschiedlicher Wellenlängen, also unterschiedlicher Spektralfarben, unterschiedlich geformt und gebrochen wird. Der Brennpunkt verschiebt sich und es kommt über einen weiten Wellenlängenbereich zur Unschärfe. Achromaten könnten die optische Aberrationen minimieren. Eine solche achromatische Linse („Meta-Linse“) haben die Forscher hergestellt und am Ende der Lichtleitfaser befestigt. Die Fokussierung und Abbildung kleinster Details soll mit Tiefenschärfe-Abbildung möglich sein.
Prof. Dr. Markus Schmidt, Leiter der Abteilung Faserphotonik bei Leibniz IPHT, sagte:
„Für eine ideale Lichtformung und achromatische Fokussierung haben wir eine ultradünne Linse auf Polymerbasis realisiert, die aus einem komplexen Design geometrischer Strukturen in Form von Nanosäulen besteht. Diese Struktur wurde direkt auf die Spitze einer 3D-gedruckten Hohlturmstruktur auf einer der Endflächen einer kommerziellen optischen Faser gedruckt. Auf diese Weise lassen sich Lichtleitfasern so funktionalisieren, dass Licht sehr effizient auf einen Brennpunkt fokussiert und Bilder mit hoher Auflösung erzeugt werden können.“
Meta-Linse
Die Meta-Linse hat einen Linsendurchmesser von 100 Mikrometern und eine im Vergleich zu bisher verwendeten achromatischen Linsen an den Faserendflächen deutlich höhere Numerische Apertur (NA) von 0,2. Das schafft eine bessere Auflösung. Optische Aberrationen lassen sich mit dem Objektiv korrigieren und fokussieren sehr präzise ein Licht in eine spektrale Bandbreite von 400 Nanometern im Infrarotbereich.
Prof. Dr. Markus Schmidt sagte:
„Bemerkenswert ist, dass die einzelnen Nanosäulen unterschiedliche Höhen von 8,5 bis 13,5 Mikrometer aufweisen. Dadurch können die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts auf einen einzigen Brennpunkt fokussiert werden.“
Anwendungsbereiche
Anhand der faserbasierten konfokalen Scanning-Bildgebung gelang des den Forschern, die Effizienz der Linse und des Fokus zu demonstrieren. Das Team erzielte mit einer mit achromatischer Metaoptik eine überzeugende Bildqualität bei hoher Bildakquisition. Die Fokuslagen blieben auch bei unterschiedlichen Wellenlängen nahezu konstant.
Prof. Dr. Markus Schmidt ein mögliches Anwendungsszenario, sagte:
„Da die entwickelte nanostrukturierte Metalllinse extrem klein und flach ist, bietet ein faseroptisches Design mit achromatischer Optik an der Spitze das Potenzial, miniaturisierte und flexible endoskopische Bildgebungssysteme auf Basis der Fasertechnologie weiter voranzutreiben und noch schonendere minimal-invasive Untersuchungen zu ermöglichen.“
Die Forscher sehen unter anderem Anwendungsgebiete im Bereich der lasergestützten Therapie und Chirurgie, der faseroptischen Kommunikation und der Fasersensorik.
