Durch die Kombination von Experimenten mit Berechnungen und Simulationen haben Forscher in Deutschland neue Erkenntnisse darüber gewonnen, warum das Aufbringen transparenter Mikrokügelchen auf einer Probe die Auflösung einer auf Interferometrie basierenden Mikroskopietechnik verbessert. Indem sie untersuchten, wie Licht mit den Mikrokugeln interagiert, haben Lucie Hüser und Kollegen von der Universität Kassel haben die Tür zum Verständnis der mysteriösen Verbesserung geöffnet.
Ein Interferometer-Mikroskop von Linnik ist dafür ausgelegt, hochauflösende Bilder der Oberflächentopographie einer Probe aufzunehmen. Das Gerät funktioniert, indem es einen Lichtstrahl in zwei Teile teilt, wobei ein Strahl zur Probe und der andere zu einem Spiegel gesendet wird. Die reflektierten Strahlen werden an einem Detektor rekombiniert, wodurch ein Bild des interferierenden Lichts entsteht. Durch Scannen der Probenhöhe wird eine genaue Darstellung der 3D-Topographie der Probe erhalten.
Wie alle Mikroskopietechniken ist diese Methode jedoch einer grundlegenden Grenze in der Größe der Merkmale ausgesetzt, die sie auflösen kann. Dies liegt an der Beugungsgrenze, was bedeutet, dass die Technik keine Merkmale auflösen kann, die kleiner als die halbe Wellenlänge des Abbildungslichts sind.
Geheimnisvolle Wirkung
Mikroskopiker wissen jedoch seit einiger Zeit, dass die Beugungsgrenze überwunden werden kann, indem man einfach mikrometergroße transparente Kügelchen auf die Oberfläche einer Probe legt. Dies hat sich als sehr nützliche Technik erwiesen, aber trotz ihrer Wirksamkeit verstehen die Forscher die Physik hinter der Verbesserung nicht vollständig. Zu den Erklärungen gehört die Erzeugung hochfokussierter photonischer Nanojets, wenn Licht zwischen den Mikrokugeln und der Probe hindurchgeht; eine Erhöhung der numerischen Apertur des Mikroskops, die durch die Mikrokügelchen verursacht wird; Nahfeld-(evaneszente) Effekte; und die Anregung von Flüstergalerie-Lichtmodi innerhalb der Mikrokugeln.
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Um besser zu verstehen, warum die Mikrosphärenverstärkung für die Interferenzmikroskopie funktioniert, kombinierte Hüsers Team rigorose experimentelle Messungen mit neuen Computersimulationen. Dazu gehörten Raytracing-Berechnungen, die einfache Mathematik verwenden, um Änderungen in den Pfaden von Lichtstrahlen zu verfolgen, die sich durch die Kugeln bewegen.
Die Studie legt nahe, dass evaneszente und flüsternde Galerieeffekte vernachlässigbar sind, wenn es um die Verbesserung der Auflösung geht. Stattdessen fanden sie heraus, dass die Mikrokügelchen die effektive Größe der numerischen Apertur des Mikroskops erhöhen – was die Auflösung des Instruments verbessert. Die Forschung deutet auch darauf hin, dass photonische Nanojets an der Verbesserung der Auflösung beteiligt sein könnten.
Dieses Ergebnis bringt eine robuste theoretische Grundlage für die mikrosphärenverstärkte optische Interferenzmikroskopie einen Schritt näher. Hüser und Kollegen hoffen, dass ihre Arbeit bald zu besseren Methoden zur schnellen und nicht-invasiven Abbildung der Oberflächen mikroskopischer Strukturen führen kann. Dies könnte besonders nützlich sein, um empfindliche Proben wie biologische Systeme zu untersuchen, die nicht mit hochauflösenden Techniken wie Elektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie untersucht werden können.
Die Forschung ist in der beschrieben Zeitschrift für optische Mikrosysteme.
