Combinando esperimenti con calcoli e simulazioni, i ricercatori in Germania hanno acquisito nuove informazioni sul motivo per cui il posizionamento di microsfere trasparenti su un campione migliora la risoluzione di una tecnica di microscopia basata sull'interferometria. Esaminando come la luce interagisce con le microsfere, Lucie Hüser e colleghi del Università di Kassel hanno aperto la porta alla comprensione del misterioso potenziamento.
Un microscopio interferometrico Linnik è progettato per acquisire immagini ad alta risoluzione della topografia superficiale di un campione. Il dispositivo funziona dividendo in due un raggio di luce illuminante, con un raggio inviato al campione e l'altro a uno specchio. I raggi riflessi vengono ricombinati in corrispondenza di un rilevatore, creando un'immagine della luce interferente. Scansionando l'altezza del campione, si ottiene una rappresentazione accurata della topografia 3D del campione.
Tuttavia, come tutte le tecniche di microscopia, questo metodo deve affrontare un limite fondamentale nella dimensione delle caratteristiche che può risolvere. Questo è il risultato del limite di diffrazione, il che significa che la tecnica non è in grado di risolvere caratteristiche inferiori alla metà della lunghezza d'onda della luce dell'imaging.
Effetto misterioso
Tuttavia, i microscopisti sanno da tempo che il limite di diffrazione può essere superato semplicemente posizionando sfere trasparenti di dimensioni micron sulla superficie di un campione. Questa si è rivelata una tecnica molto utile, ma nonostante la sua efficacia, i ricercatori non comprendono appieno la fisica alla base del miglioramento. Le spiegazioni includono la creazione di nanogetti fotonici altamente focalizzati mentre la luce passa tra le microsfere e il campione; un aumento dell'apertura numerica del microscopio causato dalle microsfere; effetti di campo vicino (evanescenti); e l'eccitazione delle modalità di luce della galleria sussurrante all'interno delle microsfere.
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Per ottenere una migliore comprensione del motivo per cui il potenziamento della microsfera funziona per la microscopia a interferenza, il team di Hüser ha combinato misurazioni sperimentali rigorose con nuove simulazioni al computer. Questi includevano calcoli di ray tracing che utilizzano semplici calcoli matematici per tenere traccia dei cambiamenti nei percorsi dei raggi di luce che viaggiano attraverso le sfere.
Lo studio suggerisce che gli effetti galleria evanescenti e sussurrati sono trascurabili quando si tratta di miglioramento della risoluzione. Invece, hanno scoperto che le microsfere aumentano la dimensione effettiva dell'apertura numerica del microscopio, il che migliora la risoluzione dello strumento. La ricerca suggerisce anche che i nanojet fotonici potrebbero essere coinvolti nel miglioramento della risoluzione.
Questo risultato avvicina ulteriormente una solida base teorica per la microscopia a interferenza ottica potenziata da microsfere. Hüser e colleghi sperano che il loro lavoro possa presto portare a metodi migliori per l'imaging rapido e non invasivo delle superfici delle strutture microscopiche. Ciò potrebbe essere particolarmente utile per sondare campioni delicati, come i sistemi biologici, che non possono essere studiati con tecniche ad alta risoluzione come la microscopia elettronica e la microscopia a forza atomica.
La ricerca è descritta nel Giornale di microsistemi ottici.
