Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hohe Auflösung ohne Teilchenbeschleuniger

07.08.2017

Physiker der Universität Jena führen erstmals optische Kohärenztomografie mit XUV-Strahlung im Labormaßstab durch

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.


Der Jenaer Physiker Silvio Fuchs in einem Labor am Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Doch diese Methode hätte 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. Physikern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist genau das jetzt gelungen. Über ihre Forschungsergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Optica“ (DOI: 10.1364/OPTICA.4.000903).

Erste XUV-Kohärenztomografie im Labormaßstab

Die Jenaer Physiker verwendeten für das Verfahren erstmals im eigenen Labor erzeugte extreme ultraviolette Strahlung (XUV) und führten somit die erste XUV-Kohärenztomografie im Labormaßstab durch. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt bei etwa 20 bis 40 Nanometer – von dort ist es also nur noch ein kleiner Schritt bis zum Röntgenbereich.

„Um XUV-Strahlung zu erzeugen, sind normalerweise Großgeräte, also Teilchenbeschleuniger wie das Deutsche Elektronen-Synchroton in Hamburg, notwendig“, erklärt Silvio Fuchs vom Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena. „Demzufolge wäre eine Untersuchungsmethode dieser Art also sehr aufwendig, teuer und nur für wenige Forscher verfügbar.“

Die Jenaer Physiker 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 der Uni Jena 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 diese 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. „Die Rechnung ist einfach. Je mehr wir hineingeben, desto mehr bekommen wir auch heraus“, sagt der Jenaer Experte.

Starke Bildgebungskontraste entstehen

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 Objektes, 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 Silvio 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 Physiker der Universität Jena 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 Nanomater Tiefenauflösung zu erreichen“, informiert Fuchs.

„Grundsätzlich haben wir gezeigt, dass man diese Methode im Labormaßstab verwenden kann.“ Langfristiges Ziel könne es schließlich sein, ein preisgünstiges und bedienungsfreundliches Gerät zu entwickeln, das Laser und Mikroskop vereint und etwa der Halbleiterindustrie oder biologischen Laboren dieses Bildgebungsverfahren unkompliziert ermöglicht.

Original-Publikation:
Silvio Fuchs et al.: „Optical coherence tomography with nanoscale axial resolution using a laser-driven high-harmonic source“, Optica (2017) Vol. 4, Issue 8, 903-906, https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000903

Kontakt:
Silvio Fuchs
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947615
E-Mail: silvio.fuchs[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Sebastian Hollstein | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Unser Gehirn behält das Unerwartete im Blick
17.08.2018 | Philipps-Universität Marburg

nachricht Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt
16.08.2018 | Universität Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bionik im Leichtbau

17.08.2018 | Verfahrenstechnologie

Klimafolgenforschung in Hannover: Kleine Pflanzen gegen große Wellen

17.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

HAWK-Ingenieurinnen und -Ingenieure entwickeln die leichteste 9to-LKW-Achse ihrer Art

17.08.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics