Gedresseerde laser straalt door ondoorzichtige materialen
Ondoorzichtige materialen zoals witte verf, eierschaal of menselijke huid maken invallend licht diffuus. Diffuus licht heeft geen richting. Normaal gesproken is het daarom niet mogelijk om een lichtbundel door deze materialen heen te schijnen. Onderzoekers van de Stichting FOM en het Mesa+ instituut van de Universiteit Twente zijn er echter in geslaagd diffusie juist te gebruiken voor het richten van licht. Met interferentie lieten ze ondoorzichtige objecten – zoals een eierschaal – een bundel licht doorlaten of zelfs licht focusseren. Deze techniek is een stap op weg naar het bekijken van ondoorzichtig weefsel of het afzonderlijk belichten van diepliggende cellen. Hun resultaten verschijnen binnenkort in het toonaangevende vakblad Optics Letters.
Licht is een golf. Als je een doorsnede neemt loodrecht op een bundel licht hebben alle punten op de doorsnede dezelfde fase. Zo'n vlak noemen we een golffront. Als de lichtbundel op een ondoorzichtig materiaal zoals een eierschaal valt, verstrooit dit materiaal het licht. Het golffront raakt verstoord en al snel is de verstoring zo ernstig dat het licht diffuus geworden is: het heeft geen bepaalde richting en we kunnen het niet gebruiken om een afbeelding te maken. Wel zien we een diffuse lichte vlek als we bijvoorbeeld licht door een eierschaal of papier laten vallen.
Als we ditzelfde experiment uitvoeren met laserlicht, ontstaat een onvoorspelbaar interferentiepatroon door de manier waarop de lasergolven op elkaar inwerken: er ontstaan plaatsen met een hogere intensiteit en met een lagere intensiteit. Laserlicht levert een scherp interferentiepatroon, ook wel spikkelpatroon genoemd, op omdat alle golven in de bundel dezelfde golflengte hebben. Dit maakt laserlicht bijzonder: ook na een paar honderd keer verstrooien is de fase van het licht nog goed gedefinieerd.
Anti-verstrooiing
De Twentse wetenschappers hebben deze informatie over de fase gebruikt om de golffronten die het materiaal verlaten glad te strijken en zo de verstoring op te heffen. Daarmee hebben zij in feite het verstrooiingsproces omgedraaid. De wetenschappers stuurden de laserbundel eerst door een modulator. Met deze modulator konden zij heel nauwkeurig de bundel verstrooien. Vervolgens viel deze verstrooide bundel op een ondoorzichtig materiaal, dat de lichtbundel in tegengestelde richting verstrooide. Na honderden keren verstrooien ontstaat door interferentie een gefocusseerde laserbundel. De Twentenaren voerden het experiment uit met witte verf, een melktand, bloemblaadjes, en een eierschaal. Bij elk materiaal hoort een specifieke instelling van de modulator. Het golffront en het stukje materiaal passen dus bij elkaar als een sleutel en een slot.
Wetenschappers beschouwden diffusie altijd als een onomkeerbaar proces. Voor licht hebben de Twentse onderzoekers het tegenovergestelde nu bewezen. Dit betekent dat het feit dat een materiaal ondoorzichtig is niet langer een onoverwinnelijke barrière hoeft te zijn voor bijvoorbeeld microscopie. De Twentenaren gaan deze techniek nu verder ontwikkelen zodat het mogelijk wordt om binnen in ondoorzichtig weefsel te kijken of afzonderlijke cellen te belichten. Voor dit vervolgonderzoek heeft Allard Mosk begin juli een Vidi-subsidie van NWO toegekend gekregen.
Referentie: Focusing coherent light through opaque strongly scattering media, Ivo Vellekoop and Allard Mosk, http://ol.osa.org/upcoming_pdf.cfm?id=80762
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Ivo Vellekoop, Universiteit Twente, (053) 48 95 390
Informatie is ook te vinden op de website: http://cops.tnw.utwente.nl/
Een animatie die het experiment verduidelijkt is te vinden op http://cops.tnw.utwente.nl/research/animation_focus/speckle.html