Door experimenten te combineren met berekeningen en simulaties, hebben onderzoekers in Duitsland nieuwe inzichten verkregen in waarom het plaatsen van transparante microsferen op een monster de resolutie van een op interferometrie gebaseerde microscopietechniek verbetert. Door te onderzoeken hoe licht interageert met de microsferen, hebben Lucie Hüser en collega's van de Universiteit van Kassel hebben de deur geopend om de mysterieuze verbetering te begrijpen.
Een Linnik interferometermicroscoop is ontworpen om beelden met een hoge resolutie te maken van de oppervlaktetopografie van een monster. Het apparaat werkt door een straal verlichtend licht in tweeën te splitsen, waarbij de ene straal naar het monster wordt gestuurd en de andere naar een spiegel. De gereflecteerde bundels worden opnieuw gecombineerd bij een detector, waardoor een beeld ontstaat van het storende licht. Door de hoogte van het monster te scannen, wordt een nauwkeurige weergave van de 3D-topografie van het monster verkregen.
Echter, zoals alle microscopietechnieken, heeft deze methode te maken met een fundamentele limiet in de grootte van de kenmerken die ze kan oplossen. Dit is het resultaat van de diffractielimiet, wat betekent dat de techniek geen kenmerken kan oplossen die kleiner zijn dan de helft van de golflengte van het beeldlicht.
Mysterieus effect
Microscopisten weten echter al enige tijd dat de diffractielimiet kan worden overwonnen door simpelweg transparante bolletjes ter grootte van een micron op het oppervlak van een monster te plaatsen. Dit is een zeer bruikbare techniek gebleken, maar ondanks de doeltreffendheid begrijpen onderzoekers de fysica achter de verbetering niet volledig. Verklaringen zijn onder meer de creatie van sterk gefocuste fotonische nanojets terwijl licht tussen de microsferen en het monster passeert; een toename van de numerieke apertuur van de microscoop die wordt veroorzaakt door de microsferen; near-field (vergankelijke) effecten; en de opwinding van licht in de fluistergalerij in de microsferen.
Superresolutiemicroscopie onthult coronavirus-replicerende machines
Om beter te begrijpen waarom microbolletjesverbetering werkt voor interferentiemicroscopie, combineerde het team van Hüser rigoureuze experimentele metingen met nieuwe computersimulaties. Deze omvatten ray tracing-berekeningen die eenvoudige wiskunde gebruiken om veranderingen in de paden van lichtstralen die door de bollen reizen te volgen.
De studie suggereert dat vluchtige en fluisterende galerijeffecten verwaarloosbaar zijn als het gaat om resolutieverbetering. In plaats daarvan ontdekten ze dat de microsferen de effectieve grootte van de numerieke apertuur van de microscoop vergroten, wat de resolutie van het instrument verbetert. Het onderzoek suggereert ook dat fotonische nanojets mogelijk betrokken zijn bij de verbetering van de resolutie.
Dit resultaat brengt een robuuste theoretische basis voor microbolletjes-versterkte optische interferentiemicroscopie een stap dichterbij. Hüser en collega's hopen dat hun werk binnenkort kan leiden tot betere methoden voor snelle en niet-invasieve beeldvorming van de oppervlakken van microscopische structuren. Dit kan met name handig zijn voor het onderzoeken van delicate monsters, zoals biologische systemen, die niet kunnen worden bestudeerd met technieken met een hoge resolutie, zoals elektronenmicroscopie en atoomkrachtmicroscopie.
Het onderzoek staat beschreven in de Journal of optische microsystemen.
