Introduzione

L'indice di rifrazione è una delle proprietà ottiche più fondamentali della materia, che regola la velocità della luce e la sua flessione alle interfacce. Misurare non solo l'indice di rifrazione di massa ma anche le sue variazioni spaziali, sia a causa di stress, gradienti di composizione, intuizioni o inomogeneità strutturali, è essenziale per molte applicazioni scientifiche e industriali.

Principi fondamentali della misura dell'indice reattivo

L'indice di rifrazione [[7]][7]][[7]]] di un mezzo è definito come il rapporto della velocità della luce nel vuoto alla sua velocità in quel mezzo. Quando la luce attraversa un limite tra due media, la legge di Snell descrive il rapporto tra gli angoli di incidenza e rifrazione.

Tecniche di misura tradizionali e loro limitazioni

Rischiometria

Il rifrangente Abbe e le sue varianti si basano sul metodo dell'angolo critico: un campione a contatto con un prisma di indice di rifrazione noto è illuminato, e l'angolo di riflessione interna totale è misurato. Mentre semplice e robusto, la rifrangenza Abbe offre solo una misura di massa a punto singolo ed è sensibile alla qualità e alla temperatura della superficie.

Interferometria

Gli interferometri classici (Michelson, Mach-Zehnder, Twyman-Green) confrontano un fronte d'onda di prova trasmesso attraverso o riflesso dal campione con un fronte d'onda di riferimento. L'analisi della frangia produce la differenza di percorso ottico, da cui deriva l'indice di fase e quindi rifrangente.

Ellipsomeria

L'elisagonia misura il cambiamento dello stato di polarizzazione della luce riflessa da una superficie. E' estremamente sensibile ai film sottili (speso sub-nanometro) e può determinare sia l'indice di rifrazione che lo spessore simultaneamente. Tuttavia, richiede un modello per l'interpretazione dei dati ed è generalmente limitato alle superfici planarie; non può facilmente mappare le variazioni dell'indice laterale all'interno della maggior parte di un materiale.

Limitazioni comuni

Tutti i metodi tradizionali affrontano i trade-off tra sensibilità, risoluzione spaziale, velocità e requisiti di campionamento. Qualità superficiale, dispersione multipla e la necessità di scansione meccanica spesso ostacolano la caratterizzazione di campioni eterogenei, ruvidi o dinamici.

Tecniche di ottica fisica per la mappatura di indice Refrattivo ad alta risoluzione

Olografia digitale

L'ologramma digitale (DH) registra il campo ottico completo complesso, sia ampiezza che fase, catturando il modello di interferenza tra un fascio di riferimento e la luce sparpagliata o trasmessa dal campione. Un sensore digitale (ad esempio, CMOS o CCD) registra l'ologramma e gli algoritmi di ricostruzione numerica recuperano il fronte d'onda. Poiché la fase è proporzionale alla lunghezza del percorso ottico integrata attraverso il campione, le differenze di fase locale indice di rifrazione appaiono

  • Immagine completa:[] Non è richiesta alcuna scansione: l'intero campo visivo viene catturato in un solo colpo (o in pochi colpi di fase).
  • Immagine di fase quantitativa:[ Direttamente produce il prodotto dell'indice e dello spessore rifrangente, consentendo l'estrazione delle variazioni di indice quando lo spessore è noto o può essere stimato.
  • Misura dinamica:[ Le telecamere ad alta velocità consentono l'osservazione in tempo reale delle cellule viventi, dei flussi di fluidi o delle interfacce materiali in evoluzione.

L'olografia digitale è stata ampiamente applicata per misurare i gradienti indici di rifrazione in canali microfluidici, miscele di polimeri e cellule biologiche, con sensibilità riferite fino a 10[−4] RIU (unità indice di rifrazione).

Tomografia della coerenza ottica (OCT)

L'OCT, una sorgente luminosa a banda larga, è divisa in bracci di riferimento e di campionamento; la luce riflessa o retroscaricata dal campione interferisce con il riferimento solo quando le lunghezze del percorso ottico corrispondono all'interno della lunghezza di coerenza (tipicamente 1-15 μm).

L'OCT è particolarmente potente per l'imaging di tessuti biologici (ad esempio, retina, pelle, pareti arteriose) dove le inomogeneità dell'indice rifrangente derivano da strutture cellulari, fibre di collagene o depositi di lipidi. La tecnica offre risoluzione di micrometri in tre dimensioni con profondità di imaging fino a 1-2 mm in media di dispersione.

  • OCT sensibile alla polarizzazione[] per la mappatura della birefringence.
  • OCT Doppler[] per il rilevamento del gradiente del flusso fluido e dell'indice di rifrazione.
  • OCT spettroscopico[[]] per estrarre variazioni di indice dipendente dalla lunghezza d'onda.

La sensibilità delle variazioni di indice di rifrazione da parte di OCT è tipicamente nell'intervallo di 10−3]-10−4 RIU, a seconda del rapporto di sistema e segnale-rumore. Per maggiori dettagli, vedi: Misurazione dell'indice di rifrazione quantitativa 2017 usando OCT (Bmedical

Interferometria di fase-Shifting (PSI)

L'interferometria di mutamento di fase è una variante dell'interferometria classica in cui la fase di riferimento è variata a senso passivo (di solito 3-5 gradini).

Interferometria del solletico

Quando la luce coerente si disperde da una superficie ruvida o da un mezzo inomogeneo, forma un modello di interferenza granulare che codifica le informazioni sulla distribuzione della lunghezza del percorso ottico. Interferometria del falco, compresa interferometria del modello di lentiggina elettronica (ESPI) e shearography, misura il cambiamento del modello di falce su cambiamento di indice deformazione o rifrazione.

Risonanza del plasmone di superficie (SPR) e la percezione plasmonica

I sistemi di rilevamento di particelle di particelle (in inglese) sono molto sensibili all'indice di microplastica (in inglese) e all'indicizzazione (in inglese: RP) (in inglese)

Microscopia ottica di scansione a distanza (NSOM)

NSOM, noto anche come SNOM, supera il limite di diffrazione utilizzando un'apertura subonda o punta di spargimento per sondare l'ottica vicino al campo.

Miglioramenti computazionali e apprendimento automatico

Il volume di dati generato dalle moderne tecniche di ottica fisica, in particolare nell'imaging a campo completo o nella tomografia, richiede un trattamento sofisticato. L'apprendimento automatico (ML) è emerso come uno strumento potente per migliorare la precisione di misura, la velocità e la robustezza:

  • Phase unwrapping:[] Le reti neurali profonde (ad esempio, architetture basate su UNet) possono risolvere ambiguità di fase nelle mappe di fase avvolta, anche in presenza di rumore o discontinua.
  • Denoising e super-risoluzione:[[] Le reti neurali convoluzionali addestrate su ologrammi di alta qualità o immagini OCT possono migliorare il rapporto segnale-rumore e aumentare efficacemente la risoluzione spaziale al di là del limite di diffrazione.
  • Spersione inversa:[ I metodi iterativi imparati possono ricostruire le distribuzioni indici di rifrazione dai modelli di spargimento, bypassando la necessità di modelli espliciti in avanti.
  • Estrazione automatica dei parametri:[[] I classificatori ML possono identificare le regioni di interesse e quantificare i gradienti indice in sfondi complessi, accelerando la caratterizzazione dei materiali.

Questi approcci computazionali stanno facendo mappatura indice rifrazione più accessibile e affidabile, soprattutto per applicazioni in tempo reale nel controllo della qualità e l'imaging in celle vive.

Applicazioni in Scienze dei Materiali e Biomedicina

Scienza dei materiali

Le variazioni di indice reattivo nei materiali solidi indicano spesso inomogeneità strutturali, concentrazioni di stress o transizioni di fase.

  • Caratterizzare lenti e le fibre ottiche gradienti-index (GRIN) assicurando un controllo preciso del profilo dell'indice.
  • Monitorare i processi di polimerizzazione e diffusione in tempo reale.
  • Rilevate i difetti in ceramica trasparente, occhiali e materiali cristallini.
  • Studia cristalli liquidi e i loro modelli di orientamento mappando la birefringence e l'indice di rifrazione simultaneamente.

Biomedicina

Nei campioni biologici, l'indice di rifrazione è strettamente correlato alla concentrazione delle proteine, alla densità degli organelli cellulari e all'idratazione dei tessuti.

  • Immagini esenti da etichette di cellule vive, distinguendo diversi tipi di cellule e monitorando le risposte dei farmaci.
  • Mappatura dell'indice di rifrazione dei tessuti per identificare le regioni cancerose, dove la densità nucleare elevata aumenta la dispersione e il contrasto dell'indice.
  • Ricostruzione tridimensionale di embrioni di zebrafish e altri organismi modello per lo sviluppo di studio.
  • Misurazioni di flusso sanguigno e di ossigenazione utilizzando Doppler e spettroscopic OCT.

Queste applicazioni dimostrano la versatilità dei metodi ottici fisici nel fornire informazioni strutturali e funzionali non invasive, ad alta risoluzione.

Direzioni e tendenze emergenti

Il campo continua ad evolversi rapidamente, con diverse direzioni promettenti:

  • I sensori assistiti da materiali:[ I metamateriali iperbolici e i cristalli fotonici possono migliorare l'interazione della luce-materia, aumentando la sensibilità ai cambiamenti dell'indice di rifrazione per ordini di grandezza.
  • Misure a livello di ingrandimento:[] Utilizzando coppie fotoniche o stati spremuti, l'interferometria quantistica può superare il limite quantico standard, offrendo una sensibilità di fase ancora maggiore per la mappatura dell'indice.
  • Integrazione sul chip:[] Risonatori micro-ring, interferometri Mach-Zehnder e guide fotoniche sono miniaturizzate per sensori indici refrattivi portatili, punto di cura.
  • Multi-modal imaging:[] Combinando la mappatura dell'indice di rifrazione con altri meccanismi di contrasto (fluorescence, Raman, assorbimento) per fornire informazioni chimiche e fisiche complementari.
  • Ottica adattiva: Correzione per aberrazioni indotte da campioni in tempo reale migliora la risoluzione e l'accuratezza nella imaging dei tessuti profondi.

Queste tendenze promettono di spingere i confini della sensibilità, della velocità e dell'applicabilità, consentendo di misurare le variazioni dell'indice di rifrazione in ambienti che erano in precedenza inaccessibili.

Conclusioni

La misurazione delle variazioni dell'indice rifrangente con alta precisione e risoluzione spaziale è una sfida che le tecniche classiche non possono soddisfare pienamente. I metodi dell'ottica fisica - l'oloografia digitale, la tomografia della coerenza ottica, l'interferometria del mutamento di fase, l'interferometria delle speckle, il rilevamento plasmanico e la microscopia del campo vicino - esplodono i fenomeni fondamentali dell'ottica d'onda per superare questi limiti.