Сочетая эксперименты с расчетами и моделированием, исследователи из Германии получили новое представление о том, почему размещение прозрачных микросфер на образце улучшает разрешение метода микроскопии, основанного на интерферометрии. Изучая, как свет взаимодействует с микросферами, Люси Хюзер и ее коллеги из Университет Касселя открыли дверь к пониманию таинственного улучшения.
Интерферометрический микроскоп Линника предназначен для получения изображений топографии поверхности образца с высоким разрешением. Устройство работает, разделяя пучок освещающего света на две части, при этом один пучок направляется на образец, а другой — на зеркало. Отраженные лучи рекомбинируются на детекторе, создавая изображение интерферирующего света. Путем сканирования высоты образца получается точное представление трехмерной топографии образца.
Однако, как и все методы микроскопии, этот метод сталкивается с фундаментальным ограничением размера элементов, которые он может разрешить. Это результат дифракционного предела, а это означает, что метод не может разрешать детали, которые меньше половины длины волны отображаемого света.
Таинственный эффект
Однако микроскопистам уже давно известно, что дифракционный предел можно преодолеть, просто поместив на поверхность образца прозрачные сферы микронного размера. Это оказалось очень полезным методом, но, несмотря на его эффективность, исследователи не до конца понимают физику, лежащую в основе улучшения. Объяснения включают создание высокосфокусированных фотонных наноструй при прохождении света между микросферами и образцом; увеличение числовой апертуры микроскопа за счет микросфер; эффекты ближнего поля (исчезающие); и возбуждение мод света шепчущей галереи внутри микросфер.
Микроскопия сверхвысокого разрешения выявила механизм репликации коронавируса
Чтобы лучше понять, почему улучшение микросфер работает для интерференционной микроскопии, команда Хюзера объединила строгие экспериментальные измерения с новым компьютерным моделированием. К ним относятся расчеты трассировки лучей, которые используют простую математику для отслеживания изменений путей световых лучей, проходящих через сферы.
Исследование предполагает, что эффекты исчезающей и шепчущей галереи незначительны, когда дело доходит до повышения разрешения. Вместо этого они обнаружили, что микросферы увеличивают эффективный размер числовой апертуры микроскопа, что улучшает разрешение прибора. Исследование также предполагает, что фотонные наноструи могут быть задействованы в улучшении разрешения.
Этот результат приближает прочную теоретическую основу для оптической интерференционной микроскопии с микросферами. Хюзер и его коллеги надеются, что их работа может вскоре привести к более совершенным методам быстрой и неинвазивной визуализации поверхностей микроскопических структур. Это может быть особенно полезно для исследования хрупких образцов, таких как биологические системы, которые нельзя исследовать с помощью методов с высоким разрешением, таких как электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия.
Исследование описано в Журнал оптических микросистем.
