La tomografia a coerenza ottica (OCT) è una tecnica di imaging basata sulla luce attualmente utilizzata nella diagnostica clinica per esaminare gli organi in vivo. La tecnica utilizza l'interferometria; in cui la luce riflessa da un oggetto esaminato si combina con la luce di riferimento che non incontra l'oggetto per generare schemi di interferenza che formano immagini OCT 2-D e 3-D. È possibile utilizzare lunghezze d'onda della luce più lunghe nella tecnica di imaging per una penetrazione più profonda nei materiali di diffusione della luce. Tali caratteristiche offrono possibilità per l'OCT nei controlli non distruttivi (NDT) dei campioni, e miglioramento dell'imaging biomedico non invasivo. In un recente studio, Niels M. Israelsen e collaboratori della Technical University of Denmark, insieme a collaboratori in Austria e nel Regno Unito, ha sviluppato un nuovo metodo per superare le sfide tecniche dell'imaging OCT.

Nello studio, hanno ottenuto immagini utilizzando la luce nel medio infrarosso per rivelare strutture microscopiche non visibili sotto la luce del vicino infrarosso convenzionale a lunghezza d'onda più corta. Per questo, il team ha combinato sperimentalmente la luce supercontinuo a banda larga e l'upconversion di frequenza per l'acquisizione di immagini in tempo reale ad alta risoluzione. I risultati sono ora pubblicati in Luce:scienza e applicazioni , con il potenziale per promettenti progressi clinici nel rilevamento dei difetti e nelle misurazioni dello spessore in vivo. Il potenziale per migliorare la penetrazione in profondità dell'OCT utilizzando lunghezze d'onda più lunghe è noto sin dal suo inizio nei primi anni '90. Lo sviluppo dell'OCT nel medio infrarosso è stato a lungo messo in discussione dai componenti ottici in questa regione spettrale, con conseguente lenta acquisizione, bassa sensibilità e scarsa risoluzione assiale.

Israelsen et al. ha dimostrato il primo sistema pratico OCT nel medio infrarosso nel presente studio. I ricercatori hanno utilizzato un sistema OCT nel dominio spettrale del medio infrarosso che opera a una lunghezza d'onda centrale di 4 micron (µm) per fornire una risoluzione assiale di 8,6 µm. Le immagini prodotte dal sistema a medio infrarosso sono state confrontate con quelle fornite utilizzando un sistema OCT nel vicino infrarosso ad altissima risoluzione operante a 1,3 µm. La configurazione sperimentale ha applicazioni immediate nei test non distruttivi in ​​tempo reale di campioni che mostrano una forte dispersione a lunghezze d'onda più corte.

Come tecnica ottica, L'OCT è più adatto per la biofotonica e l'imaging biomedico clinico, con notevoli applicazioni in oftalmologia. La tecnica consente in tempo reale, misurazioni non invasive e senza contatto per la visualizzazione del campione 3D. La configurazione è avanzata rapidamente con sorgenti luminose avanzate, rivelatori e componenti nella regione spettrale del visibile e del vicino infrarosso per l'imaging ad alta velocità e ad alta risoluzione in vivo. Il sistema OCT è una tecnologia pronta per l'industria, robusta e facile da implementare utilizzando una bassa potenza ottica. La principale limitazione del sistema è la forte diffusione della luce alle lunghezze d'onda del visibile e del vicino infrarosso che limitano la profondità di penetrazione in mezzi torbidi da poche decine a centinaia di micron, a seconda del campione.

In questo lavoro, Israelsen et al. ha fornito una configurazione sperimentale del sistema OCT nel medio infrarosso, con cinque parti modulari:

1. Una sorgente di supercontinuum (SC) IR personalizzata per l'illuminazione, basato su un laser a pompa di amplificatore di potenza dell'oscillatore master (MOPA) e fibra al fluoruro di zirconio monomodale.
2. Uno sviluppato internamente, sistema di upconversion di frequenza a banda larga per il rilevamento.
3. Un interferometro di Michelson nello spazio libero
4. Un campione di scansione X, Y sistema di fase di traduzione, e
5. Spettrometro basato su semiconduttore a ossido di metallo complementare al silicio (CMOS).

Per facilitare l'accoppiamento e l'allineamento tra i sottosistemi, gli scienziati hanno collegato ogni sistema con una fibra ottica. Hanno quindi focalizzato il raggio generato sul campione utilizzando un fluoruro di bario (BaF ₂ ) lente, le immagini sono state acquisite spostando il campione sugli stadi di traslazione motorizzata. Israelsen et al. raccolto il campione e i segnali di riferimento in una fibra di fluoruro di indio monomodale per poi trasmetterli al modulo di conversione per la conversione spettrale al vicino IR. Successivamente, hanno dimostrato la sovrapposizione degli spettri SC prima (rosso) e dopo (blu scuro) upconversion, accanto a un esempio dello spettro di interferenza in azzurro.

In base alla progettazione, il modulo di upconversion potrebbe convertire un'ampia larghezza di banda superiore a 1 µm nella regione dell'IR medio (3576-4625 nm) in una banda stretta nel vicino IR (820-865 nm) senza sintonizzazione parametrica. Il segnale di frequenza somma vicino all'infrarosso generato non ha perso alcuna informazione codificata nella modalità spettrale del segnale nell'infrarosso medio. Poiché i rilevatori mid-IR all'avanguardia soffrivano di un rumore di fondo termico intrinseco rispetto ai loro omologhi near-IR, la tecnologia di conversione di frequenza non lineare a banda larga ha consentito un rilevamento più rapido e a basso rumore nello studio.

Come prova di principio del sistema di imaging OCT sviluppato nello studio, gli scienziati hanno replicato con successo esperimenti precedentemente condotti da Su et al. nella ceramica industriale. Il lavoro precedente aveva determinato che un sistema OCT con lunghezza d'onda di 4 µm era in grado di visualizzare l'immagine attraverso una lastra di allumina fresata per rivelare la sua struttura interna. Per testare questo, Israelsen et al. ottenuto campioni ceramici simili dallo stesso fornitore; dove la pila di ceramica conteneva tre strati di lastre (C1-C3; zirconio, Allumina spessa 476 µm e allumina spessa 300 µm). Il campione è stato scansionato e ripreso dalla lastra di zirconio superiore verso il basso, i risultati erano coerenti con i risultati precedenti. Per supportare ulteriormente i risultati, gli scienziati hanno eseguito una serie di simulazioni Monte Carlo utilizzando il software open source MCX, per confermare qualitativamente una migliore visualizzazione delle interfacce approfondite nelle immagini OCT da 4 µm.

Gli scienziati hanno quindi mostrato una dispersione ridotta per OCT da 4 µm rispetto alla configurazione OCT da 1,3 µm utilizzando un materiale a nastro di allumina. I risultati hanno indicato che la distorsione dell'immagine dovuta alla dispersione era meno pronunciata nel sistema OCT da 4 µm. La funzione potrebbe essere utile per caratterizzare dispositivi a base di silicio, compresi i sistemi microelettromeccanici, celle solari e guide d'onda.

Per l'imaging 3D di immagini più complesse, strutture non uniformi, gli scienziati hanno immaginato un Europay, MasterCard, Visa-chip (EMV chip) e un'antenna di comunicazione near-field incorporati in una carta di credito standard. Le carte di credito sono comunemente realizzate con diversi strati di polimeri laminati mescolati con una varietà di coloranti e additivi. Utilizzando la configurazione OCT da 4 µm, gli scienziati hanno identificato tre strati di polimeri altamente disperdenti, che non poteva essere penetrato dal sistema OCT da 1,3 µm a causa delle sue elevate proprietà di diffusione nella regione del vicino IR.

In alcuni casi, hanno persino rilevato il retro della scheda con uno spessore di 0,76 mm. Israelsen et al. osservato che al di sotto del primo strato di polimero scattering, uno strato di incapsulamento proteggeva il microprocessore in silicio incorporato. Hanno anche osservato i fili e i circuiti collegati che collegavano il microprocessore al sottostante pad di contatto dorato.

Il lavoro di ricerca di Israelsen et al. ha indicato che il sistema OCT da 4 µm era superiore al sistema OCT da 1,3 µm. Poiché l'imaging OCT a lunghezze d'onda maggiori ha aumentato l'assorbimento d'acqua nei campioni, questo ha naturalmente escluso i campioni biologici dalla configurazione. Però, il sistema era notevolmente privo di risonanze vibrazionali (cioè mostrava basso rumore e dispersione ridotta) e quindi ideale per prove non distruttive (NDT) di strutture solide.

In questo modo, Israelsen et al. dimostrato velocemente, tempo reale, imaging OCT nel dominio spettrale nella regione del medio IR. La risoluzione assiale risultante dei campioni acquisiti era di 8,6 µm, insieme a una risoluzione laterale di 15 µm per ottenere dettagli microscopici di strutture incorporate in mezzi ad alta dispersione. I risultati sono stati superiori rispetto alla configurazione OCT più convenzionale con lunghezza d'onda di 1,3 µm. Gli scienziati hanno convalidato meticolosamente i nuovi risultati replicando con successo i rapporti precedenti. Il nuovo lavoro colma una lacuna realizzando la tecnologia OCT mid-IR in tempo reale per applicazioni pratiche come strumento pronto per l'industria per i test non distruttivi.

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