Hohe Auflösung ohne Teilchenbeschleuniger

  • 09. August 2017

Erstmals optische Kohärenztomografie mit XUV-Strahlung im Labor­maß­stab durch­ge­führt.

Beim Augenarzt gehört sie fast schon zum Standardprogramm: die optische Kohärenz­tomo­grafie. Mit diesem Bild­gebungs­verfahren lassen sich durch Infra­rot­strahlung die verschie­denen Schichten der Netz­haut durch­dringen und drei­dimen­sional genauer unter­suchen, ohne dass das Auge über­haupt berührt werden muss. Mediziner können so Erkran­kungen wie den Grünen Star ohne Eingriff erkennen.

EUV-Mikroskop

Abb.: Silvio Fuchs an einem Extrem-Ultra­violett-Mikro­skop. (Bild: J.-P. Kasper, U. Jena)

Doch die Methode hätte ein noch weitaus größeres Potenzial für die Natur­wissen­schaften, wenn man die Wellen­länge der verwen­deten Strahlung stärker verkürzen und somit eine höhere Auf­lösung des Bildes erhalten könnte. Forschern der Uni Jena ist genau das jetzt gelungen. Sie verwen­deten für das Verfahren erst­mals im eigenen Labor erzeugte extreme ultra­violette Strahlung und führten somit die erste XUV-Kohärenz­tomo­grafie im Labor­maß­stab durch. Die Wellen­länge dieser Strahlung liegt bei etwa zwanzig bis vierzig Nano­metern – von dort ist es also nur noch ein kleiner Schritt bis zum Röntgen­bereich.

„Um XUV-Strahlung zu erzeugen, sind normalerweise Teilchen­beschleu­niger notwendig“, erklärt Silvio Fuchs von der Uni Jena. „Deshalb wäre eine Unter­suchungs­methode dieser Art sehr auf­wändig, teuer und nur für wenige Forscher verfüg­bar.“ Fuchs und seine Kollegen konnten diese Methode bereits an Groß­forschungs­anlagen demon­strieren, doch nun haben sie eine Möglich­keit gefunden, sie auch im kleineren Maßstab anwenden zu können.

Dazu fokussierten die Forscher einen ultrakurzen, sehr inten­siven Infra­rot­laser in ein Edel­gas, etwa Argon oder Neon. „Durch einen Ioni­sations­prozess werden die Elek­tronen im Gas beschleunigt“, erklärt Fuchs. „Diese emit­tieren dann die XUV-Strahlung.“ Zwar sei die Methode sehr ineffi­zient, da nur etwa ein Million­stel der Laser­strahlung auch tatsäch­lich vom infra­roten in den extrem ultra­vio­letten Bereich umge­wandelt werde, aber dieser Verlust lasse sich durch den Einsatz von sehr starken Laser­quellen aus­gleichen.

Der Vorteil der XUV-Kohärenztomografie ist, neben der sehr hohen Auf­lösung, dass die Strahlung stark mit der Probe inter­agiert, denn verschie­dene Stoffe reagieren unter­schied­lich auf das Licht. Einige absor­bieren mehr und andere weniger. Es ent­stehen also starke Bild­gebungs­kontraste, die den Forschern wichtige Infor­ma­tionen, etwa über die materi­elle Zusammen­setzung des zu unter­suchenden Objekts, liefern. „Wir haben beispiels­weise zer­störungs­frei drei­dimen­sionale Abbil­dungen von Silizium­chips erstellt, auf denen man das Träger­material und aus anderen Materi­alien beste­hende Struk­turen gut vonein­ander unter­scheiden kann“, erklärt Fuchs. „Sollte dieses Ver­fahren auch in der Bio­logie Anwen­dung finden – etwa bei der Unter­suchung von Zellen, was eines unserer Ziele ist –, dann wäre dort das vor­herige Ein­färben der Proben, wie in anderen hoch­auf­lösenden Mikro­skopie­methoden üblich, nicht nötig. Elemente wie Kohlen­stoff, Sauer­stoff und Stick­stoff würden selbst den Kontrast liefern.“

Bis dahin haben die Forscher aber noch einige Arbeit vor sich. „Mit unserer bis­herigen Licht­quelle erzeugen wir eine Tiefen­auf­lösung von bis zu 24 Nano­meter. Das reicht zwar schon aus, um kleine Struk­turen, beispiels­weise in Halb­leitern abzu­bilden, jedoch liegen die Struktur­größen aktueller Chips teil­weise bereits unter dieser Marke. Mit neuen noch stärkeren Lasern sollte es aber in Zukunft möglich sein, mit der Methode bis zu drei Nano­meter Tiefen­auf­lösung zu erreichen“, sagt Fuchs. „Grund­sätz­lich haben wir gezeigt, dass man diese Methode im Labor­maß­stab ver­wenden kann.“ Lang­fris­tiges Ziel sei es, ein preis­günstiges und bedienungs­freund­liches Gerät zu ent­wickeln, das Laser und Mikro­skop vereint und etwa der Halb­leiter­industrie oder biolo­gischen Laboren dieses Bild­gebungs­verfahren unkompli­ziert ermöglicht.

FSU / RK

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