Met een pepermuntje een scherpere afbeelding dan met de beste lens?

Verstrooid licht focusseert het scherpst

17 februari 2010 

Een lens kan licht focusseren in doorzichtige materialen, zoals lucht, glas en zuiver water. De grootte van het focus bepaalt hoe scherp een beeld kan worden gemaakt. Hoewel de grootte van het focus afhangt van de kwaliteit van de lens, heeft zelfs de beste lens een limiet, omdat licht een golfverschijnsel is: het focus wordt groter naarmate het verder van de lens af ligt. Deze limiet wordt de diffractielimiet genoemd. In troebele materialen, zoals verf, melk of matglas, lijkt de situatie op het eerste gezicht nog erger: het licht wordt verstrooid tot een diffuse vlek en vormt helemaal geen scherp focus meer. Onderzoekers van de stichting FOM, het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT en het FOM Instituut AMOLF in Amsterdam zijn tot de verrassende conclusie gekomen dat juist deze verstrooiing gebruikt kan worden om licht veel scherper te focusseren. Dit is van groot belang in de nanotechnologie, waar licht gebruikt wordt om minuscule structuren te maken en onderzoeken. Ze hebben hun bevindingen op 14 februari online gepubliceerd in Nature Photonics.

Het focusseren van licht dwars door een ondoorzichtig materiaal is mogelijk door de invallende lichtgolven zo te vervormen dat ze na het verstrooien precies in de richting van het focus lopen. Drie jaar geleden toonden de onderzoekers voor het eerst aan dat licht op die manier door vrijwel alle verstrooiende voorwerpen heen gefocusseerd kan worden, van witte verf tot een eierschaal. Het instrument dat de lichtgolven vervormt heeft net als ieder optisch instrument last van de diffractielimiet. Als het licht op een grotere afstand gefocusseerd wordt, wordt het focus onscherp.

Als er echter een verstrooiend materiaal - in dit geval een laagje verf - geplaatst wordt tussen het instrument en het focus, blijkt het plotseling mogelijk een veel kleiner focus te maken: het verstrooide licht laat zich perfect focusseren, veel scherper dan licht dat onverstoord door de lucht reist. Licht is zo ook beter te focusseren op moeilijk bereikbare plaatsen, wat vooral voor de nanotechnologie belangrijk is. Daarnaast liggen toepassingen in de microscopie, waar de diffractielimiet het erg moeilijk maakt om de kleinste onderdelen van een levende cel af te beelden, voor de hand. Zou het mogelijk zijn om met, bijvoorbeeld, een pepermuntje een scherpere afbeelding te maken dan met de beste lens? Deze vraag is een open uitdaging tot verder onderzoek.

Licht focusseren met een doolhof. Verstrooiende materialen, zoals witte verf, of een pepermuntje, zijn een doolhof voor licht: het licht verstrooit en verandert steeds van richting. Omdat licht een golfverschijnsel is, kunnen we het van meerder kanten tegelijk het doolhof in sturen. Nadat het licht meerdere malen van richting verandert, verlaat de lichtgolf het doolhof op weer meerdere plaatsen tegelijk, maar nu zeer scherp gefocusseerd. Juist de richtingsverandering in het doolhof zorgt er voor dat het licht uiteindelijk beter te focusseren is.

Neem voor meer informatie contact op met:
Dr. Allard Mosk, Complex Photonic Systems (MESA+), a.p.mosk@utwente.nl, telefoon 053 489 5392 of met FOM Communicatie, drs. Anita van Stel, 030 600 1208