Mikro- und Nanoskopiesysteme

Dennis Leitz, M.Sc. und Jingrun Zhang, M.Sc.

Stand der Technik/Motivation

• Schaltbare Fluoreszenz in Molekülen ermöglicht in der Fernfeld-Mikroskopie eine Abbildung jenseits des Abbeschen Beugungslimits (z.B. STED, PALM, STORM). Obwohl das zugrundeliegende Konzept zur Verwendung optisch-geschalteter Übergänge nicht auf die Fluoreszenz beschränkt ist, basieren die Nanoskopie-Verfahren auf den Fluoreszenzkontrast. Für allgemeine Bildgebung unterhalb der Beugungsgrenze (unabhängig von der Fluoreszenz) werden zumeist Nahfeld-Methoden verwendet, die in Aufbau und Handling kompliziert sind.
• Mit Hilfe optisch-sättigbarer Übergänge in sog. Photochromen (Absorbance Modulation) kann eine reversible, subwellenlängen Blende in direktem Kontakt mit der Messoberfläche erzeugt werden. Die Generierung der Blende erfolgt hierbei durch Fernfeld-Strahlung bei zwei Wellenlängen.
• Das Verfahren der "Absorbance Modulation" wurde bereits in der Lithographie (AMOL) bei optischen Datenträgern und Transmissions-Mikroskopie erfolgreich angewendet, um Auflösungssteigerungen bis unterhalb der Beugungsgrenze zu erreichen.
• Eine hyperspektrale Bildgebung mit breitbandigem Messlicht ermöglicht nicht nur einer Erhöhung von Bildkontrast, sondern auch die Detektion von Informationen über chemische Zusammensetzung, Gewebestruktur und physikalische Eigenschaften des Messobjekts.
• Unser Forschungsfeld beschäftigt sich mit der Realisierung der hyperspektralen, hochauflösenden Bildgebung mittels Absorptionsmodulation für die Auflichtmikroskopie.

Methoden

• Simulation anhand einer Modellierung eines Reflexionsmikroskops unter Verwendung photochromer Schichten zur lateralen Auflösungsverbesserung. Dabei wird die nichtlineare Photochemie, die Beugung an der subwellenlängen Blende, Fresnel-Reflektionen, sowie Abbildungseigenschaften eines Konfokal-Mikroskops berücksichtigt.
• Ableitung analytischer Gleichungen für eine Vereinfachung des Systemdesigns.
• Simulation der hyperspektralen Bildgebung mit breitbandigem Messlicht zur Optimierung des Systemaufbaus.
• Experimenten zur Untersuchung des Einflusses der Messlichtwellenlängen auf das Bildgebungsverfahren.

• Auflösungssteigerung kann analytisch mit Systemparametern abgeschätzt berechnet werden (in Analogie zu STED). Entscheidender Parameter ist das Leistungsverhältnis zwischen den Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Die analytische Lösung folgt dem simulierten Verhalten gut bis starke Beugung an der Blende auftritt.
• Umfassende Simulationen mit Hilfe der Modellierung zeigen ein gutes Potential eine Auflösungssteigerung von λ/5 zu erreichen.
• Im DFG-Vorprojekt (412988268) wird die Machbarkeit einer Auflichtmikroskopie mittels Absorptionsmodulation mit einer lateralen Auflösung unterhalb der Beugungsbegrenzung nachgewiesen. Die Messungen erfolgten mit einer monochromatischen Lichtquelle.
• DFG-Projekt (412988268) zur Realisierung der Auflichtnanoskopie mittels Absorptionsmodulation mit hyperspektraler Bildgebung in Zusammenarbeit mit dem Institute für Nanophotonik Göttingen e.V., dem Institut für organische Chemie, dem Institut für physikalische Chemie und dem Max Planck Institut.

1. R. Kowarsch, C. Geisler, A. Egner und C. Rembe, “Superresolution reflection microscopy via absorbance modulation: a theoretical study,” in Optics Express 26 (5), S. 5327–5341. DOI: 10.1364/OE.26.005327.
2. R. Kowarsch und C. Rembe, “Modellierung der Auflösungssteigerung mittels photochromer Schichten für die nanoskopische Laser-Doppler-Vibrometrie,” in Proceedings of the XXX. Messtechnisches Symposium des AHMT, Hanover, Germany, Sept. 2016.
3. P. Jain, C. Geisler, D. Leitz, V. Udachin, S. Nagorny, T. Weingartz, J. Adams, A. Schmidt, C. Rembe, und A. Egner, “ Super-resolution Reflection Microscopy via Absorbance Modulation,” in ACS Nanoscience Au 2023 3 (5), 375-380. DOI: 10.1021/acsnanoscienceau.3c00013.

Dr.-Ing. Robert Kowarsch

Stand der Technik/Motivation

• Effiziente Erzeugung eines hochfrequenten heterodynen Trägers bei mehreren GHz, wo konventionelle Frequenzschieber (Braggzellen) ineffizient arbeiten.
• Freie Wahl der Trägerfrequenz nach optimalem Demodulations-Spetralbereich jenseits dominanter Rausch- und Störquellen

Methoden

• Variable Trägererzeugung mittels zweier DBR-Diodenlaser im sichtbaren Spektralbereich, die über eine optische Phasenregelschleife auf eine Frequenzdifferenz gelockt werden.
• Aufbau eines scannenden Laser-Doppler-Vibrometer Mikroskops mit ausreichender lateraler Auflösung zur Rekonstruktion der Schwingungsmoden.

• Erzeugung von Trägerfrequenzen bis 1,4 GHz für die Messung hochfrequent-schwingender Bauteile.
• Trotz Phasenrauschen der Laserdioden wird eine rauschäquivalente Schwingungsamplitude von kleiner als 1 pm (bei 1 Hz Bandbreite) bei >50 MHz erreicht. Die Auflösung ist bisher vom starken Intensitätsrauschen der Laserdioden begrenzt.
• Modellierung der erzeugten Kohärenz und resultierendem Amplitudenauflösung bei der Vibrationsanalyse.

1. R. Kowarsch and C. Rembe "Heterodyne interferometry at ultra-high frequencies with frequency-offset-locked semiconductor lasers" (to be published) Measurement Science and Technology
2. R. Kowarsch and C. Rembe "Laser-Doppler vibrometry with variable GHz heterodyne carrier via frequency-offset lock" Proceedings SPIE 10749, Interferometry XIX, 107490A (18 August 2018), San Diego
3. R. Kowarsch, T. Rigele, and C. Rembe "Laser-Doppler vibrometer microscope with variable heterodyne carrier" Proceedings of 13th AIVELA Conference, Ancona,  Journal of Physics: Conference Series, Volume 1149, conference 1, 2018

Dr.-Ing. Robert Kowarsch

• Aufbau eines scannenden Vibrometermikroskops mit eigener Software zur Rekonstruktion der out-of-plane Betriebsschwingungen mikroskopischer Bauteile bis zu Vibrationsfrequenzen von 25 MHz.
• Wahl verschiedenster Anregungssignale für eine effiziente Schwingungsanalyse.
• Implementierung eines Vektornetzwerkanalysators für die elektrischische Charakterisierung parallel zur Vibrometermessung und zum Monitoring.

Kooperationen

• Messung an Energy Harvestern des Choo Labs des Caltech.
• Messung an Quarz Mikrowaagen (QCM) des Instituts für Phykialische Chemie der TU Clausthal

Veröffentlichungen 

1. Kowarsch, R., Janzen, J., Rembe, C., et al. (2017). Scanning confocal vibrometer microscope for vibration analysis of energy-harvesting MEMS in wearables. tm - Technisches Messen, 84(s1), pp. 131-137. Retrieved 27 Sep. 2017, from doi:10.1515/teme-2017-0042