A kísérletek számításokkal és szimulációkkal való kombinálásával a németországi kutatók új betekintést nyertek abba, hogy az átlátszó mikrogömbök mintán való elhelyezése miért javítja az interferometrián alapuló mikroszkópos technika felbontását. A fény és a mikrogömbök közötti kölcsönhatás vizsgálatával Lucie Hüser és munkatársai a Kasseli Egyetem megnyitották az ajtót a titokzatos fejlesztés megértéséhez.
A Linnik interferométeres mikroszkópot arra tervezték, hogy nagy felbontású képeket készítsen egy minta felszíni topográfiájáról. A készülék úgy működik, hogy egy megvilágító fénysugarat kettéoszt, az egyik sugarat a mintára, a másikat pedig a tükörre küldi. A visszavert nyalábokat egy detektorban rekombinálják, így kép jön létre a zavaró fényről. A minta magasságának letapogatásával pontos képet kapunk a minta 3D topográfiájáról.
Azonban, mint minden mikroszkópos technika, ez a módszer is alapvető korlátokkal szembesül a feloldható jellemzők méretében. Ez a diffrakciós határ eredménye, ami azt jelenti, hogy a technika nem tudja feloldani a képalkotó fény hullámhosszának felénél kisebb jellemzőket.
Titokzatos hatás
A mikroszkóposok azonban már egy ideje tudják, hogy a diffrakciós határ leküzdhető, ha egyszerűen mikron méretű átlátszó gömböket helyeznek el a minta felületén. Ez nagyon hasznos technikának bizonyult, de hatékonysága ellenére a kutatók nem értik teljesen a fejlesztés mögött rejlő fizikát. A magyarázatok közé tartozik a nagy fókuszú fotonikus nanosugarak létrehozása, amikor a fény áthalad a mikrogömbök és a minta között; a mikroszkóp numerikus apertúrájának a mikrogömbök által okozott növekedése; közeli (evanszcens) hatások; és a mikrogömbökön belüli suttogó-galériai fénymódok gerjesztése.
A szuperfelbontású mikroszkóppal a koronavírus-szaporító gépezet látható
Annak érdekében, hogy jobban megértsük, miért működik a mikrogömb-javítás az interferencia-mikroszkópiában, Hüser csapata szigorú kísérleti méréseket kombinált új számítógépes szimulációkkal. Ezek közé tartoztak a sugárkövetési számítások, amelyek egyszerű matematikával követik nyomon a gömbökön áthaladó fénysugarak útjában bekövetkezett változásokat.
A tanulmány azt sugallja, hogy az elillanó és suttogó galériahatások elhanyagolhatóak, ha a felbontás javításáról van szó. Ehelyett azt találták, hogy a mikrogömbök növelik a mikroszkóp numerikus apertúrájának effektív méretét – ami javítja a műszer felbontását. A kutatás arra is utal, hogy a fotonikus nanosugárzók szerepet játszhatnak a felbontás javításában.
Ez az eredmény szilárd elméleti alapot teremt a mikrogömbökkel továbbfejlesztett optikai interferencia-mikroszkópiához egy lépéssel közelebb. Hüser és munkatársai remélik, hogy munkájuk hamarosan jobb módszerekhez vezethet a mikroszkopikus struktúrák felületeinek gyors és non-invazív leképezésére. Ez különösen hasznos lehet olyan kényes minták, például biológiai rendszerek szondázásakor, amelyek nem vizsgálhatók nagy felbontású technikákkal, például elektronmikroszkóppal és atomerőmikroszkóppal.
A kutatást a Journal of Optical Microsystems.
