Icon up Overzicht

Toen het licht weer nuchter werd

Onderwerp: Licht, Optica (licht en lenzen) (havo)

Elk jaar worden we overstelpt met lijstjes en top-zoveels. Een erg groot deel van deze lijstjes interesseert geen mens, in ieder geval geen serieuze natuurkundige. Er zijn echter ook nuttige lijstjes. Eén daarvan is de top 10 van wetenschappelijke vindingen die het AIP (American Institute of Physics) ieder jaar maakt. Alleen een rangorde van eerste tot tiende bestaat niet. Deze top 10 was in het jaar 2008 des te interessanter omdat er een Nederlandse universiteit, de UTwente, in voorkwam. Het onderzoek van de vakgroep COPS, COmplex Photonic Systems, was hiertoe de aanleiding.

Het verschijnsel

De wetenschappelijke vinding die het AIP een top-10-plaats waard vond is de zogenaamde wavefront shaping-techniek. Dit is een techniek waamee je licht kunt sturen naar een bepaald punt binnenin een ondoorzichtig materiaal. Kort samengevat berust de techniek op het volgende: Als een foton (lichtdeeltje) een materiaal binnen valt, kan het niet ongehinderd zijn weg afleggen, maar komt het in botsing met deeltjes in het materiaal, zogenaamde verstrooiers of scatteraars. Als een foton zo’n scatteraar raakt kaatst het in een andere richting weg, en het gedraagt zich vervolgens ongeveer als een stuiterbal in een doolhof. Dit noemen we een dronkemanswandeling (nee, dat wil niet zeggen dat de onderzoekers bier hebben gemorst op hun opstelling). De weg die een lichtdeeltje aflegt door een materiaal is dus totaal willekeurig.

Figuur 1: schematische voorstelling van het focussen van licht op een bepaald punt in een medium door middel van Wavefront Shaping. (Bron: COPS)

Elk materiaal heeft een bepaalde Mean Free Path. De Mean Free Path is de gemiddelde afstand tussen twee scatteraars. Deze verschilt per materiaal, en hoe groter de afstand tussen twee scatteraars, des te verder komt een lichtstraal. Daarmee is te verklaren waarom licht in glas duidelijk verder komt dan in hout, maar een dun genoeg plakje hout is doorzichtig, en op dezelfde manier zal een paar kilometer glas amper meer licht doorlaten. Wanneer een lichtbundel een materiaal in gestuurd wordt voeren alle afzonderlijke lichtstralen van de bundel een dronkemanswandeling uit en komen dus op totaal verschillende plekken terecht. Wat je kunt doen is elke lichtstraal afzonderlijk aanpassen, want daarmee verander je zijn pad. Het probleem is, dat je niet weet hoe je deze verandert, dus het is eigenlijk maar een potje gissen. COPS heeft hiervoor een betere manier bedacht: de lichtstralen worden allemaal apart aangepast, en in het gewenste punt wordt gemeten hoeveel licht er aan komt. Een computer past de lichtstralen net zolang aangepast totdat de lichthoeveelheid maximaal is. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde spatial light modulator (SLM), een apparaat dat de fase en/of intensiteit van een lichtstraal kan veranderen. Dit is vergelijkbaar met het apparaatje dat in een beamer zit, dat het licht van de lamp verandert in het beeld dat de computer doorgeeft. In de volgende alinea wordt de experimentele opstelling beschreven die gebruikt werd.

De vakgroep COPS is bezig met onderzoek naar het gedrag van licht. Naast de hieronder beschreven techniek is COPS bezig met onderzoek naar fotonische kristallen. Een artikel hierover kun je vinden op natuurkunde.nl

Het experiment

Figuur 2: schema van de hieronder uitgelegde experimentele opstelling waarmee Wavefront Shaping onderzocht wordt. Bron: COPS

Er wordt een laser gebruikt om lichtstralen naar het materiaal te sturen, waar de laserbundel door een objectief op het materiaal gefocust wordt. Dit gaat niet direct: de laserbundel gaat eerst naar de SLM en wordt vervolgen teruggestuurd en weerkaatst richting het materiaal. Vervolgens wordt het fluorescentielicht van het sample weer verzameld en via een kleurensplitsend filter (dichroic mirror, DM) en een fluorescentiefilter (F) teruggestuurd richting een zogenaamde EMCCD-camera (EMCCD = Electron Multiplying Charge Coupled Device). Die meet hoe sterk het licht is. Deze is weer gekoppeld aan een computer die de SLM aanstuurt. In deze opstelling wordt er dus feedback over de lichtintensiteit teruggestuurd richting de computer die aan de hand hiervan de SLM aanstuurt: de SLM verandert het licht en stuurt dit naar het sample, de EMCCD meet hoeveel er in het punt aankomt en geeft dit door aan de computer, en deze laat de SLM net zolang veranderen tot hij tevreden is over de hoeveelheid licht.

Toepassingen

Het principe van het focusseren van licht lijkt misschien in eerste instantie niet meer dan een grappig speeltje, maar er zijn erg zinvolle toepassingen voor. Een hiervan is de kankerbestrijding. Je kunt namelijk met wavefront shaping ziek weefsel verwijderen zonder dat je het weefsel dat er omheen zit ook sloopt (of meteen een hele arm moet amputeren). Als je weet waar het zieke weefsel zit, kun je een sterke laser nemen en met wavefront shaping de laserstraal focussen op de plek waar het weefsel verwijderd moet worden. De zieke cellen overleven dan de enorme energiehoeveelheid niet die de laser op ze af stuurt.

Bronvermelding:
[1] Top ten physics stories of the year 2008, AIP
[2] Light Transmission Through Scattering Materials, Koster, Ivanov, van Herwaarden, Bezemer en Sterl, 2009

Met dank aan Elbert van Putten voor de tip over dit nieuws.