DE10211458A1

DE10211458A1 - Laser scanning microscope has photon correlated light source and a heterodyne detection arrangement that act in conjunction to improve the resolution of a confocal microscope

Info

Publication number: DE10211458A1
Application number: DE2002111458
Authority: DE
Inventors: Ralf Wolleschensky; Michael Kempe
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-25

Abstract

Arrangement for increasing resolution in a microscope, especially a laser scanning microscope, whereby the illumination light originates from a non-classical light source for generation of N temporally and spatially correlated photons, where N is an even number using photons of a pump wavelength. A heterodyne detection arrangement is placed is the microscope beam path in order to detect photons reflected and back-scattered from the sample. The invention also relates to a corresponding method.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Laser Scanning Mikroskopie wird zur dreidimensionalen Untersuchung von Präparaten mit hoher räumlicher Auflösung eingesetzt. Verschiedenste Betriebsarten kommen hierbei zum Einsatz, wobei zur Untersuchung von Materialproben meist eine Auflichtbeleuchtung verwendet wird. Klassische Apparaturen sind das konfokale Laser Scanning Mikroskop (CLSM) [1, 2], optische Heterodyndetektion (OCT), und das Weißlichtinterferometer (WIF) [1, 2]. Zur Beleuchtung der Probe kann eine Weißlichtquelle oder Laserlicht eingesetzt werden. Im CLSM erfolgt die Tiefendiskriminierung durch eine konfokale Blende im Detektionsstrahlengang. Bei den beiden letzteren Anordnungen wird eine kurzkohärente Lichtquelle verwendet. Nach dem Stand der Technik werden zur Erhöhung der optischen Auflösung (insbesondere der axialen Auflösung) spezielle Beleuchtungskonfigurationen, so genannte 4 Pi-Anordnungen, oder Anordnungen mit Stehwellenfeldern verwendet, die in den Literaturstellen [2 und 11] eingehend beschrieben sind. Laser scanning microscopy is used for the three-dimensional examination of specimens used with high spatial resolution. Various operating modes come here to use, whereby for the examination of material samples mostly a reflected light illumination is used. Classic devices are the confocal laser scanning microscope (CLSM) [1, 2], optical heterodyne detection (OCT), and the white light interferometer (WIF) [1, 2]. A white light source or laser light can be used to illuminate the sample become. In the CLSM, depth discrimination takes place through a confocal aperture in the Detection beam path. The latter two arrangements are short-coherent Light source used. According to the state of the art to increase the optical Resolution (especially the axial resolution) special lighting configurations, so-called 4 Pi arrangements, or arrangements with standing wave fields used are described in detail in references [2 and 11].

In Applikationen zur Untersuchung von Halbleitern in der Lithographie muß zur Untersuchung des strukturierten Wafers beispielsweise der aus Silizium bestehende Wafer von der Rückseite untersucht werden, da sich auf der Vorderseite die metallischen Kontaktierungen der einzelnen dotierten Regionen befinden. Deshalb wird nach dem Stand der Technik eine Lichtquelle mit einer Energie (Wellenlänge) nahe oder oberhalb der Bandkante, die bei Silizium bei 1100 nm liegt, eingesetzt. Die Detektion kann dabei über einen Flächenempfänger (konventionelle Lichtmikroskopie) oder durch eine zum Beleuchtungsspot konfokale Blende mit einem Punktdetektor (konfokale Mikroskopie) erfolgen. Die minimal optisch auflösbaren Strukturen sind hierbei etwa gleich der halben Beleuchtungswellenlänge, d. h. betragen etwa 550 nm. Da die zu untersuchenden Strukturen auf den Wafern aufgrund der steigenden Packungsdichte immer kleiner werden, reicht diese räumliche Auflösung in einer Vielzahl der Fälle nicht mehr aus. [2] In applications for the investigation of semiconductors in lithography Examination of the structured wafer, for example that of silicon Wafers are examined from the back because the metallic ones are on the front Contacts of the individual endowed regions are located. Therefore after the State of the art a light source with an energy (wavelength) near or above the band edge, which is 1100 nm for silicon, is used. The detection can via an area receiver (conventional light microscopy) or through a Illumination spot confocal aperture with a point detector (confocal microscopy) respectively. The minimal optically resolvable structures are approximately equal to half Illumination wavelength, d. H. are about 550 nm. Since the ones to be examined Structures on the wafers are getting smaller due to the increasing packing density this spatial resolution is no longer sufficient in a large number of cases. [2]

Das Prinzip der Heterodyndetektion in der Scanning Mikroskopie wurde in [3] vorgestellt. Im wesentlichen besteht die optische Anordnung aus einen Michelson Interferometer. Licht einer im allgemeinen spektral breitbandigen Lichtquelle wird an einem Strahlteiler in 2 Teilstrahlen aufgeteilt. Ein Teilstrahl tastet die Probe im Objektstrahlengang ab. Der zweite Teilstrahl dient als Referenzarm. Das von der Probe rückgestreute Licht wird am Strahlteiler wieder mit Licht des Referenzstrahlengangs interferometrisch überlagert. Das Licht im Referenzstrahlengang wird frequenzverschoben gegenüber dem Licht im Objektstrahlengang. Dies kann durch eine Phasenmodulation mit einem speziellen Bauelement oder durch die Änderung der optischen Weglänge eines Interferometerarmes (d. h. durch Dopplerverschiebung) erfolgen. Das gemessene Signal wird demoduliert, um die Einhüllende des Interferenzsignals zu erhalten, welche durch die spektrale Charakteristik der Lichtquelle, die Dispersionsimbalance in den Interferometerarmen und die numerische Apertur des Mikroskopobjektivs im Objektstrahlengang bestimmt wird. Eine solche Demodulation kann z. B. phasenunempfindlich durch eine Gleichrichtung und anschließende Tiefpassfilterung erfolgen. Alternativ kann die Demodulation auch phasenempfindlich in einem Lock in Verstärker nach Gleichrichtung des Signals erfolgen, wobei der Lock-In mit dem Treibersignal der Phasenmodulation als Referenz getriggert wird. Eine Analyse eines Laserrastermikroskops mit Heterodyndetektion wird in [4] vorgestellt. Für eine Lichtquelle mit gaußschem Spektrum mit Bandbreite δω und Mittenfrequenz ω₀ und ein Objektiv mit halbem Aperturwinkel α sowie ein lateral homogenes, dünnes Objekt ergibt sich bei vollständiger Dispersionsbalance als Einhüllende nahe des Fokus:

wobei k = ω₀/c und z der Abstand der Beobachtungsebene von der Fokalebene im Objekt sind. The principle of heterodyne detection in scanning microscopy was presented in [3]. The optical arrangement essentially consists of a Michelson interferometer. Light from a generally spectrally broadband light source is split into two partial beams on a beam splitter. A partial beam scans the sample in the object beam path. The second beam serves as a reference arm. The light backscattered from the sample is again interferometrically superimposed on the beam splitter with light from the reference beam path. The light in the reference beam path is frequency shifted compared to the light in the object beam path. This can be done by phase modulation with a special component or by changing the optical path length of an interferometer arm (ie by Doppler shift). The measured signal is demodulated in order to obtain the envelope of the interference signal, which is determined by the spectral characteristic of the light source, the dispersion imbalance in the interferometer arms and the numerical aperture of the microscope objective in the object beam path. Such demodulation can e.g. B. phase insensitive by rectification and subsequent low-pass filtering. Alternatively, the demodulation can also be phase-sensitive in a lock in amplifier after rectification of the signal, the lock-in being triggered with the driver signal of the phase modulation as a reference. An analysis of a laser scanning microscope with heterodyne detection is presented in [4]. For a light source with a Gaussian spectrum with bandwidth δω and center frequency ω ₀ and a lens with a half aperture angle α as well as a laterally homogeneous, thin object with full dispersion balance, the envelope is close to the focus:

where k = ω ₀ / c and z are the distance of the observation plane from the focal plane in the object.

Für hohe numerische Aperturen und geringer Bandbreite des Lichtes ist die optische Auflösung durch die konfokale Tiefendiskriminierung gekennzeichnet. Im allgemeinen wird die Heterodyndetektion diese verbessern. For high numerical apertures and narrow bandwidth of the light is the optical one Resolution characterized by confocal depth discrimination. Generally speaking heterodyne detection will improve it.

Die Vorteile der Heterodyndetektion gegenüber klassischer Detektion in einem konfokalen LSM im Auflicht sind die folgenden:

- Es kommt zu einer optischen Verstärkung des rückgestreuten, ballistischen Lichts. Dadurch kann eine in Bezug auf das Signal schrotrauschbegrenzte Detektion erfolgen [5].
- Die interferometrische Überlagerung von Objekt- und Referenzstrahlung führt bei breitbandigem Licht zur Verbesserung der räumlichen Auflösung falls die konfokale Tiefenauflösung wegen geringer NA oder wegen Aberrationen schlechter ist als die Kohärenzlänge des Lichtes [6].
- Der gleiche Effekt führt zur Unterdrückung des rückgestreuten, nicht-ballistischen Lichts (Kohärenztor zusätzlich zum räumlichen Tor durch die inhärent konfokale Detektion) [7]

The advantages of heterodyne detection compared to classic detection in a confocal LSM in incident light are as follows:

- There is an optical amplification of the backscattered, ballistic light. This enables shot-noise-limited detection with regard to the signal [5].
- In the case of broadband light, the interferometric superimposition of object and reference radiation leads to an improvement in spatial resolution if the confocal depth resolution is worse than the coherence length of the light due to low NA or aberrations [6].
- The same effect leads to the suppression of the backscattered, non-ballistic light (coherence gate in addition to the spatial gate through the inherently confocal detection) [7]

Zur Probenbeleuchtung bei einer Heterodyndetektion wird nach dem Stand der Technik meist eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge von größer 900 nm eingesetzt, um die zu untersuchende Probe nicht zu schädigen. According to the prior art, sample illumination in heterodyne detection is used usually a light source with a wavelength of greater than 900 nm is used to not to damage the sample to be examined.

Nachteilig bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass die laterale bzw. axiale optische Auflösung aufgrund der beugungsbegrenzten Abbildung durch die Beleuchtungswellenlänge λ auf etwa λ/2 bzw. 2λ begrenzt ist. A disadvantage of the methods according to the prior art is that the lateral or axial optical resolution due to the diffraction limited imaging by the Illumination wavelength λ is limited to approximately λ / 2 or 2λ.

Ziel der erfindungsgemäßen Verfahren und Anordnungen ist die Verbesserung der optischen Auflösung unterhalb des Beugungslimits. The aim of the methods and arrangements according to the invention is to improve the optical resolution below the diffraction limit.

Ziel der erfindungsgemäßen Verfahren und Anordnungen ist die Verbesserung der optischen Auflösung unterhalb des Beugungslimits in einem bildgebenden optischen System, insbesondere einem Mikroskop, in dem das Beleuchtungslicht beugungsbegrenzt fokussiert wird. The aim of the methods and arrangements according to the invention is to improve the optical resolution below the diffraction limit in an imaging optical System, in particular a microscope, in which the illuminating light diffraction-limited is focused.

Bei Verwendung von Licht der Wellenlänge λ mit einer nichtklassischen N-Photonen- Korrelation ist die optische Auflösung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung gleich der optischen Auflösung, die mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik z. B. CLSM, OCT, WIF bei Beleuchtung mit einer Wellenlänge von λ geteilt durch N erzielt werden kann. Im Gegensatz hierzu wird die Auflösung bei Anordnungen nach dem Stand der Technik durch λ bestimmt. Lange Beleuchtungswellenlängen λ sind besonders vorteilhaft im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik verwendete Licht der Wellenlänge λ/N, da diese eine hohe Eindringtiefe, geringe Streuung, geringe Aberrationen und geringere Schädigungen in biologischen Präparaten hervorrufen. Zusätzlich kann die optische Vorrichtung vereinfacht werden. Im Falle von Halbleiterproben kann es darüber hinaus nötig sein, mit Licht hoher Wellenlänge zu arbeiten, um in die Proben außerhalb der Absorptionsbande eindringen zu können. When using light of wavelength λ with a non-classical N-photon Correlation is the same as the optical resolution of the optical arrangement according to the invention the optical resolution with a device according to the prior art, for. B. CLSM, OCT, WIF achieved with illumination with a wavelength of λ divided by N. can be. In contrast to this, the resolution for arrangements according to the state of technology determined by λ. Long illumination wavelengths λ are special advantageous compared to the light used in the prior art Wavelength λ / N, since this has a high depth of penetration, low scatter, low Cause aberrations and less damage in biological preparations. In addition, the optical device can be simplified. In case of Semiconductor samples may also need to be exposed to high wavelength light work in order to be able to penetrate the samples outside the absorption band.

Erfindungsgemäß wird als nichtklassisches Licht mit einer speziellen Photonenstatistik verstanden, wobei jeweils N Photonen (N ≥ 2) miteinander zeitlich und räumlich korreliert sind. Eine erste Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von Methoden und Anordnungen zur Bestrahlung der zu untersuchenden Probe mit N-fach korrelierten Photonen, wobei die quantenmechanischen Eigenschaften nicht zerstört und zur Erhöhung der optischen Auflösung ausgenutzt werden sollen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die geeignete Detektion der N-fach korrelierten Photonen in einer solchen Weise, daß die Erhöhung der optischen Auflösung unmittelbar bei der Bildentstehung zum Tragen kommt. According to the invention, non-classical light with special photon statistics understood, where in each case N photons (N ≥ 2) correlate with one another temporally and spatially are. A first object of the invention is to provide methods and Arrangements for irradiation of the sample to be examined with N-correlated Photons, whereby the quantum mechanical properties are not destroyed and for Increasing the optical resolution should be used. Another job of Invention is the appropriate detection of the N-fold correlated photons in such Way that the increase in optical resolution immediately at the formation of the image Wear comes.

Nichtklassisches Licht kann beispielsweise mit Hilfe einer Frequenzkonvertierung (spontaneous parametric down-conversion - SPDC) in einem nichtlinearen Kristall (z. B. β- barium borate BBO oder Litium Niobate LN) erfolgen. Wenn der nichtlineare Kristall zweiter Ordnung mit einem kohärenten Laser mit einer Wellenlänge von λ/2 gepumpt wird, dann werden verschränkte Photonen vorzugsweise in der Nähe der Wellenlänge λ generiert. Als nichtlineare Medien können auch periodisch gepolte Kristalle (PPLN) verwendet werden, die sich durch eine bessere Effizienz der Photonenpaar-Erzeugung auszeichnen. Nichtklassisches Licht kann weiterhin durch squeezing in einem optisch- parametrischen Verstärker (OPA) oder optisch-parametrischen Oszillator (OPO) oder in anderen optischen Resonatoranordnungen nach dem Stand der Technik erzeugt werden. Der Einsatz von verschränkten Photonen zur effizienten N-Photonen-Absorption in einem Mikroskop bzw. einem Spektrometer wurde bereits in US 5,796,477 [8] beschrieben. Bei einer N-Photonen-Absorption müssen die verschränkten Photonen zur gleichen Zeit am gleichen Ort der Probe wechselwirken um den Prozeß auszulösen. Detektiert wird z. B. das emittierte Fluoreszenzlicht mit einem Standarddetektor. For example, non-classical light can be converted using a frequency converter (spontaneous parametric down-conversion - SPDC) in a nonlinear crystal (e.g. β- barium borate BBO or lithium niobate LN). If the nonlinear crystal second-order is pumped with a coherent laser with a wavelength of λ / 2, then entangled photons are preferably in the vicinity of the wavelength λ generated. Periodically polarized crystals (PPLN) can also be used as nonlinear media. be used, which is characterized by a better efficiency of the photon pair generation distinguished. Non-classic light can still be squeezed in an optically parametric amplifier (OPA) or optical parametric oscillator (OPO) or in other optical resonator arrangements are produced according to the prior art. The use of entangled photons for efficient N-photon absorption in one Microscope or a spectrometer has already been described in US 5,796,477 [8]. at N-photon absorption, the entangled photons must at the same time interact at the same location of the sample to trigger the process. Is detected e.g. B. that emitted fluorescent light with a standard detector.

Für eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften und Methoden zur Generierung von nichtklassischen Licht wird auf [9] verwiesen. For a detailed description of the properties and methods for generating non-classical light is referred to [9].

Interferenzexperimente mit nichtklassischem Licht wurden Anfang der 90-er Jahre durchgeführt. Verwendet werden korrelierte Photonen, die mittels spontaner Frequenzkonvertierung in einem nichtlinearen Kristall erzeugt werden. Die Pumpphotonen besitzen hierbei genau die halbe Wellenlänge der generierten korrelierten Photonen. Die korrelierten Photonen werden in einem Michelson-Interferometer zur Interferenz gebracht. Beim Durchstimmen eines Interferometerarmes ergeben sich Interferenzen mit der Periode der Pumpwellenlänge. Für eine detailliertere Beschreibung der verwendeten Anordnungen wird auf [10] verwiesen. Interference experiments with non-classical light were carried out in the early 1990s carried out. Correlated photons are used by means of spontaneous Frequency conversion can be generated in a nonlinear crystal. The pump photons have exactly half the wavelength of the generated correlated photons. The correlated photons are brought to interference in a Michelson interferometer. When tuning an interferometer arm, there is interference with the Period of the pump wavelength. For a more detailed description of the used For instructions, see [10].

Die vorliegende Erfindung erlaubt es, die besonderen Eigenschaften nichtklassichkorrelierter Photonen zur Erhöhung der räumlichen Auflösung (d. h. der Reduktion der Punktverbreitungsfunktion) für die Bildgebung in Reflexion und Transmission zu nutzen. Hierzu wird eine besondere interferometrische Anordnung mit Heterodyndetektion benutzt. The present invention allows the special properties non-classically correlated photons to increase spatial resolution (i.e. reduce the Point spread function) for imaging in reflection and transmission. A special interferometric arrangement with heterodyne detection is used for this.

Die folgende Beschreibung der Erfindung betrifft die Auflichtbeleuchtung einer zu untersuchenden Probe mit verschränkten Photonen, die in einem nichtlinearen Kristall durch eine spontane parametrische Frequenzkonvertierung (SPDC) erzeugt worden sind. Hierdurch wird der Umfang der Erfindung nicht eingeschränkt. The following description of the invention relates to incident light illumination investigating sample with entangled photons in a nonlinear crystal have been generated by a spontaneous parametric frequency conversion (SPDC). This does not limit the scope of the invention.

Eine Hauptaufgabe der optischen Anordnung zur Beleuchtung der Probe ist die Erhaltung der speziellen quantenmechanischen Eigenschaften (Verschränkung) der N-fach korrelierten Photonen bei einer beugungsbegrenzten Fokussierung in die zu untersuchende Probe. A main task of the optical arrangement for illuminating the sample is maintenance the special quantum mechanical properties (entanglement) of the N-fold correlated photons with a diffraction-limited focusing in the investigating sample.

Die in einer nichtklassichen Lichtquelle erzeugten N-fach korrelierten Photonen können diese kolinear, d. h. in einer gemeinsamen Raumrichtung oder nicht-kolinear, d. h. in verschiedene Raumrichtungen verlassen. Darüber hinaus können die korrelierten Photonen die gleiche (Typ I Phasenanpassung) oder verschiedene (Typ II Phasenanpassung) Polarisation besitzen. Im kolinearen Fall gelangen die korrelierten Photonen erfindungsgemäß direkt in eine Interferometeranordnung in dem an einem Strahlteiler zwei Teilstrahlen erzeugt werden. Der erste Teilstrahl gelangt in den Referenzstrahlengang und der zweite in den Objektstrahlengang zur Untersuchung der Probe. Das von der Probe rückgestreute Licht wird am Strahlteiler wieder mit Licht des Referenzstrahlengangs interferometrisch überlagert. Das Licht im Referenzstrahlengang wird gegenüber dem Licht im Objektstrahlengang frequenzverschoben. Dies kann durch eine Phasenmodulation mit einem speziellen Bauelement oder durch die Änderung der optischen Weglänge eines Interferometerarmes erfolgen. Das gemessene Signal wird demoduliert, um die Einhüllende des Interferenzsignals zu erhalten. Eine solche Demodulation kann z. B. phasenunempfindlich oder auch phasenempfindlich erfolgen. The N-fold correlated photons generated in a non-classical light source can this colinear, d. H. in a common spatial direction or non-colinear, d. H. in leave different spatial directions. In addition, the correlated Photons the same (Type I phase matching) or different (Type II Phase adjustment) have polarization. In the colinear case, the correlated Photons according to the invention directly in an interferometer arrangement in the one Beam splitter two partial beams are generated. The first partial beam enters the Reference beam path and the second in the object beam path for examining the Sample. The light backscattered from the sample is again mixed with light from the beam splitter Reference beam path interferometrically superimposed. The light in the reference beam path is frequency shifted compared to the light in the object beam path. This can be done by a phase modulation with a special component or by changing the optical path length of an interferometer arm. The measured signal is demodulated to obtain the envelope of the interference signal. Such Demodulation can e.g. B. phase insensitive or phase sensitive.

Mit einer Koinzidenzmessung werden die durch das optische System (inklusive der Probe) gelaufenen nichtklassischen Photonen detektiert und gegenüber zufälligen Koinzidenzen, die durch die gleichzeitige Detektion von nicht-verschränkten Photonen (z. B. im optischen System durch Dekorrelation entstanden oder bereits von der Lichtquelle nicht-korreliert emittiert inkl. der Koinzidenz von zwei Photonen zweier verschiedener Paare) herrühren, diskriminiert. Alternativ kann aber auch eine einfache Intensitätsdetektion verwendet werden, wenn z. B. durch eine geeignete Weglängendifferenz von Objekt- und Referenzstrahlengang sichergestellt wird, daß nur nichtklassisches Licht zur Interferenz gelangt und sich damit gegenüber den nichtmodulierten Beiträgen klassischen Lichts unterscheidet. With a coincidence measurement, the optical system (including the sample) detected non-classical photons and compared to random coincidences, by the simultaneous detection of non-entangled photons (e.g. in the optical System created by decorrelation or already not correlated by the light source emitted including the coincidence of two photons of two different pairs), discriminated against. Alternatively, a simple intensity detection can also be used be when z. B. by a suitable path length difference of object and Reference beam path ensures that only non-classical light for interference reached and thus compared to the non-modulated contributions of classic light different.

Durch das Rastern des Probenstrahles relativ zur Probe bzw. durch eine Verschiebung der Probe senkrecht zum Probenstrahl können optische Bilder der Probe aufgezeichnet werden und in einem Rechner abgelegt werden. Zusätzlich kann die Aufnahme der optischen Bilder in verschiedenen Positionen entlang der optischen Achse des Probenstrahlenganges erfolgen und ein dreidimensionales Abbild der Probe erzeugt werden. By scanning the sample beam relative to the sample or by shifting it of the sample perpendicular to the sample beam, optical images of the sample can be recorded and are stored in a computer. In addition, the inclusion of the optical images in different positions along the optical axis of the Sample beam path take place and a three-dimensional image of the sample is generated become.

Bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle vom nicht-kolinearen Typ werden die in verschiedene Raumrichtungen abgestrahlten Photonen mittels Spiegeln auf einen gemeinsamen Strahlvereiniger gelenkt, wobei ein optischer Ausgang im folgenden in die oben beschriebene Interferometeranordnung gelangt. When using a non-classical light source of the non-colinear type, the in different spatial directions emitted photons by means of mirrors on one joint beam combiner directed, with an optical output in the following Interferometer arrangement described above arrives.

Brief description of the pictures

Fig. 1A zeigt schematisch die zeitliche Photonenstatistik (Photonen pro Zeiteinheit ΔT) einer klassischen Lichtquelle. Im Gegensatz dazu generiert die nichtklassische Lichtquelle in Fig. 1B N-fach korrelierten Photonen (hier schematisch N = 4). Fig. 1A schematically shows the temporal photon statistics (photons per unit time .DELTA.T) of a conventional light source. In contrast, the non-classical light source in FIG. 1B generates N-times correlated photons (here schematically N = 4).

Fig. 2 zeigt schematisch eine nichtklassiche Lichtquelle L, die korrelierte Photonen (N = 2) in A: kolinear, d. h. in eine gemeinsame Raumrichtung und B: nicht-kolinear in verschiedene Raumrichtungen abstrahlt. Zusätzlich ist in Teilbild B ein Strahlvereiniger SV zur räumlichen Überlagerung der beiden Strahlengänge eingezeichnet. FIG. 2 schematically shows a non-classical light source L, which emits correlated photons (N = 2) in A: colinear, ie in a common spatial direction and B: non-colinear in different spatial directions. In addition, a beam combiner SV is shown in partial image B for the spatial superimposition of the two beam paths.

Fig. 3 stellt schematisch Eigenschaften der räumlichen und zeitlichen Korrelation verschränkter Photonen dar. Fig. 3 schematically illustrates features of the spatial and temporal correlation entangled photons are.

Fig. 4 stellt schematisch die erfindungsgemäße optische Anordnung bei Verwendung eines Michelson Interferometers zur Untersuchung einer Probe im Auflicht dar. Fig. 4 schematically illustrates the optical arrangement of the invention when using a Michelson interferometer for the investigation of a sample in the incident light is.

Fig. 5 stellt schematisch die erfindungsgemäße optische Anordnung bei Verwendung eines Michelson Interferometers zur Untersuchung einer Probe im Auflicht ohne Koinzidenzmessung dar. FIG. 5 shows schematically the optical arrangement according to the invention when using a Michelson interferometer for examining a sample in incident light without coincidence measurement.

Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Mach-Zehnder Interferometer zur Untersuchung einer Probe in Auflicht. Fig. 6 shows the inventive arrangement with a Mach-Zehnder interferometer for the investigation of a sample in the incident light mode.

Fig. 7 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Mach-Zehnder Interferometer zur Untersuchung einer Probe in Auflicht mit balanced detection. Fig. 7 shows the inventive arrangement with a Mach-Zehnder interferometer for the investigation of a sample in the incident light mode detection with balanced.

Fig. 8 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Mach-Zehnder Interferometer zur Untersuchung einer Probe in Durchlicht. Fig. 8 shows the inventive arrangement with a Mach-Zehnder interferometer for the investigation of a sample in transmitted light.

Fig. 9 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 4 in einem Laser Scanning Mikroskop. FIG. 9 shows a preferred arrangement according to the invention according to FIG. 4 in a laser scanning microscope.

Fig. 10 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 6 in einem Laser Scanning Mikroskop. FIG. 10 shows a preferred arrangement according to the invention according to FIG. 6 in a laser scanning microscope.

Fig. 11 zeigt eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 6 in einem Laser Scanning Mikroskop mit zusätzlicher konfokaler Filterung. FIG. 11 shows a further preferred arrangement according to the invention according to FIG. 6 in a laser scanning microscope with additional confocal filtering.

Fig. 12 zeigt eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 8 in einem Mikroskop mit Objektscanner. FIG. 12 shows a further preferred arrangement according to the invention according to FIG. 8 in a microscope with object scanner.

Fig. 13 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung in einem Mikroskop mit 4-Pi Strahlkonfiguration, Lock-in Detektion und Objektscanner. Fig. 13 shows a preferred arrangement of the invention in a microscope with 4-Pi beam configuration, lock-in detection and object scanner.

Fig. 14 zeigt eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 13 in einem Mikroskop mit zusätzlicher Koinzidenzmessung. FIG. 14 shows a further preferred arrangement according to the invention according to FIG. 13 in a microscope with additional coincidence measurement.

Fig. 15 zeigt eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 13 in einem Mikroskop mit zusätzlichem Strahlscanner. FIG. 15 shows a further preferred arrangement according to the invention according to FIG. 13 in a microscope with an additional beam scanner.

Detailed description of the invention

Die Erfindung nutzt die unterschiedlichen Interferenzeigenschaften von klassischen Photonen im Vergleich zu räumlich und zeitlich korrelierten Photonen aus. Abb. 1 zeigt schematisch die verschiedene Photonenstatistik. In Teilbild A ist die Photonenstatistik einer klassischen Lichtquelle dargestellt. Innerhalb eines Zeitintervalls ΔT emittiert diese eine zufällige Anzahl von Photonen. Im Gegensatz dazu emittiert eine nichtklassische Lichtquelle entsprechend der verwendeten Anordnung eine bestimmte Anzahl N von Photonen. In Teilbild B ist dies beispielhaft für eine Lichtquelle dargestellt, die 4-fach korrelierte Photonen generiert. Weiterhin addiert sich die Energie und der Wellenzahlvektor der Einzelphotonen (Tochterphotonen/oder Signal- und Idlerphoton) genau zur Energie bzw. Wellenzahlvektor des Photons (Mutterphoton) aus dem sie z. B. durch Frequenzkonvertierung entstanden sind. Wird beispielsweise, bei einem Photonenpaar mit N = 2 ein Einzelphotonen in seiner Energie und Richtung vermessen, dann kann auf die Energie und Richtung des Partners geschlossen werden. Im allgemeinen werden Photonen mit den o. g. Eigenschaften als verschränkte bzw. räumlich und zeitlich korrelierte Photonen bezeichnet. Die wellenoptischen Eigenschaften der verschränkten Photonen sind durch die wellenoptischen Eigenschaften des Pumpphotons beschreibbar, d. h. die Interferenzeigenschaften sind für das Photonenpaar und das Pumpphoton identisch so lange die Verschränkung nicht zerstört wird [10]. The invention exploits the different interference properties of classic photons in comparison to spatially and temporally correlated photons. Fig. 1 shows schematically the different photon statistics. Part A shows the photon statistics of a classic light source. Within a time interval ΔT, it emits a random number of photons. In contrast, a non-classical light source emits a certain number N of photons according to the arrangement used. This is shown in partial image B as an example for a light source that generates 4-fold correlated photons. Furthermore, the energy and the wavenumber vector of the individual photons (daughter photons / or signal and idler photons) add up exactly to the energy or wavenumber vector of the photon (mother photon) from which they are, for. B. have arisen from frequency conversion. If, for example, a single photon is measured in its energy and direction for a pair of photons with N = 2, then the energy and direction of the partner can be inferred. In general, photons with the above properties are referred to as entangled or spatially and temporally correlated photons. The wave-optical properties of the entangled photons can be described by the wave-optical properties of the pump photon, ie the interference properties are identical for the photon pair and the pump photon as long as the entanglement is not destroyed [10].

Im folgenden wird die Erfindung anhand von korrelierten Photonen mit N = 2 erläutert. Eine Erweiterung für N > 2 kann ohne Einschränkung des erfindungsgemäßen Umfanges vorgenommen werden. In the following, the invention is explained on the basis of correlated photons with N = 2. A Extension for N> 2 can without limitation of the scope of the invention be made.

Die Einzelphotonen treten jedoch strenggenommen nicht gleichzeitig und in exakt vorbestimmter Richtung aus der Lichtquelle aus sondern besitzen eine Zeitunschärfe T_e und eine Unschärfe in ihrer Richtung A_e. Schematisch ist dies in Abb. 3 dargestellt. Strictly speaking, however, the individual photons do not emerge from the light source simultaneously and in an exactly predetermined direction, but rather have a time blur T _e and a blur in their direction A _e . This is shown schematically in Fig. 3.

Die Zeitunschärfe, d. h. die Unschärfe in der Ankunftszeit der Einzelphotonen auf einem Target bei gleichen optischen Weglängen von der Quelle zum Target, ist abhängig von der verwendeten Anordnung der Lichtquelle L in Abb. 2. Man unterscheidet bei einer spontanen Frequenzkonvertierung der Pumpstrahlung zwischen einer kolinearen und einer nicht-kolinearen Erzeugung der korrelierten Photonen. Bei einer kolinearen Erzeugung (siehe Abb. 2A) breiten sich die korrelierten Photonen E_i und E_s in die gleiche Richtung aus und besitzen (für Typ I-Phasenanpassung) die gleiche Polarisationsrichtung. Bei einer nichtkolinearen Erzeugung (siehe Abb. 2B) werden Einzelphotonen in verschiedene Raumrichtungen emittiert. Im Falle einer Typ II- Phasenanpassung stehen zusätzlich die Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander. Eine räumliche Überlagerung der Einzelphotonen kann mit einem Strahlvereiniger SV, z. B. bestehend aus einem Polarisationsstrahlteiler erfolgen. Hierzu werden die Strahlengänge mit Spiegeln M zusammengeführt. Die Zeitunschärfe beispielsweise bei einer spontanen Typ I-Frequenzkonvertierung beträgt einige 10 fs. Somit ergibt sich für die Kohärenzlänge der Einzelphotonen L_e = c.T_e zueinander einige Mikrometer, wobei c gleich der Lichtgeschwindigkeit in dem entsprechenden Medium ist. Die Kohärenzlänge L_p der Lichtquelle zum Pumpen der spontanen Frequenzkonvertierung kann hierbei einige Zentimeter bis Meter betragen. The time blur, ie the blurring in the arrival time of the individual photons on a target with the same optical path lengths from the source to the target, depends on the arrangement of the light source L in Fig. 2. A distinction is made between a collinear and a spontaneous frequency conversion of the pump radiation non-colinear generation of the correlated photons. In the case of colinear generation (see FIG. 2A), the correlated photons E _i and E _s propagate in the same direction and have the same direction of polarization (for type I phase matching). With non-colinear generation (see Fig. 2B), single photons are emitted in different spatial directions. In the case of a type II phase matching, the polarization directions are also perpendicular to one another. A spatial overlay of the individual photons can be done with a beam combiner SV, e.g. B. consisting of a polarization beam splitter. For this purpose, the beam paths are brought together with mirrors M. The time blur, for example in the case of a spontaneous type I frequency conversion, is a few 10 fs. This results in a few micrometers for the coherence length of the individual photons L _e = cT _e to each other, where c is the speed of light in the corresponding medium. The coherence length L _{p of} the light source for pumping the spontaneous frequency conversion can be a few centimeters to meters.

Die z. B. in einem nichtlinearen Medium EPS erzeugten korrelierten Photonen gelangen in eine Interferometeranordnung. In Abb. 4 ist eine solche bestehend aus einem Michelson Interferometer BS1/P/M2 schematisch gezeigt. Das Pumplicht wird mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Im Interferometer werden 2 Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) tastet die Probe P in Auflicht im Objektstrahlengang ab. Der zweite Teilstrahl (3) dient als Referenzarm, wobei das Licht an einem Spiegel M in sich zurück reflektiert wird. Das von der Probe P rückgestreute Licht wird am Strahlteiler BS1 mit Licht des Referenzstrahlengangs interferometrisch überlagert. The z. B. correlated photons generated in a nonlinear medium EPS reach an interferometer arrangement. Fig. 4 schematically shows one consisting of a Michelson interferometer BS1 / P / M2. The pump light is suppressed with the help of an HPF long pass filter. In the interferometer, 2 partial beams are generated on the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) scans the sample P in reflected light in the object beam path. The second partial beam ( 3 ) serves as a reference arm, with the light being reflected back at a mirror M. The light backscattered from the sample P is interferometrically superimposed on the beam splitter BS1 with light from the reference beam path.

Die beiden Interferometerarme weisen eine Differenz der optischen Weglänge auf, die größer als die Kohärenzlänge der Einzelphotonen L_e ist. Am Strahlteiler BS1 aus einem Photonenpaar getrennte Einzelphotonen können somit nicht interferieren, da das Interferometer für diese nicht abgeglichen ist. Die Differenz der optischen Weglänge sei jedoch kleiner als die Kohärenzlänge L_p > L_e der Pumplichtquelle. Somit können sich korrelierten Photonen, die am Strahlteiler BS1 nicht aufgespalten worden sind noch interferieren, da diese aufgrund ihrer Verschränkung die wellenoptischen Eigenschaften der Pumplichtquelle besitzen. The two interferometer arms have a difference in the optical path length that is greater than the coherence length of the individual photons L _e . Individual photons separated from a pair of photons at the beam splitter BS1 can therefore not interfere, since the interferometer is not adjusted for them. However, the difference in the optical path length is smaller than the coherence length L _p > L _{e of} the pump light source. Correlated photons which have not been split at the beam splitter BS1 can thus still interfere, since these have the wave-optical properties of the pump light source due to their entanglement.

Am Ausgang des Interferometers (4) befindet sich ein weiterer Strahlteiler BS2 an dessen Ausgängen (1) und (2) jeweils ein Detektor DE1/DE2 angeordnet sind und Einzelphotonen messen. Die beiden Detektoren liefern Eingangssignale für einen so genannten Time to Amplitude Converter TAC, der die Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen des einen Detektors DE1 in Bezug zum zweiten Detektor DE2 mißt, wobei eine bestimmte Zeitspanne in eine entsprechende Spannungsamplitude umgewandelt wird. Die Detektionsanordnung ist aus der Literatur als Koinzidenzmessung bekannt. Mit Hilfe des Scalers SCA wird ein Amplitudenfenster, d. h. Zeitfenster für die Messung festgelegt. Das Zeitfenster ist so eingestellt, daß korrelierte Photonen die an BS1 aufgespalten wurden und somit auch nicht interferieren können nicht registriert werden. Dies hat den Vorteil, daß eine hohe Modulationstiefe des Meßsignals bis nahe 100% erreicht werden kann. Alternativ kann aber auch nur Detektor DE1 für eine einfache Intensitätsmessung zum Einsatz kommen, wie in Abb. 5 dargestellt. Da nur nichtklassisches Licht zur Interferenz gelangt, kann durch eine im folgenden beschriebene, auf den Modulationsanteil beschränkte Signalauswertung nichtklassisches gegenüber klassischem Licht diskriminiert werden. In diesem Fall kann man auf Detektor DE2 und Strahlteiler BS2 verzichten, was die Detektionseffizienz erhöht. At the output of the interferometer ( 4 ) there is a further beam splitter BS2, at the outputs ( 1 ) and ( 2 ) of which a detector DE1 / DE2 are arranged and measure individual photons. The two detectors supply input signals for a so-called Time to Amplitude Converter TAC, which measures the time difference between the triggering of one detector DE1 in relation to the second detector DE2, a certain time period being converted into a corresponding voltage amplitude. The detection arrangement is known from the literature as coincidence measurement. With the help of the SCA scaler, an amplitude window, ie time window for the measurement, is defined. The time window is set so that correlated photons that have been split up at BS1 and therefore cannot interfere cannot be registered. This has the advantage that a high modulation depth of the measurement signal up to almost 100% can be achieved. Alternatively, only detector DE1 can be used for a simple intensity measurement, as shown in Fig. 5. Since only non-classical light comes into interference, a non-classical signal evaluation, which is limited to the modulation component, can be used to discriminate against classical light. In this case, detector DE2 and beam splitter BS2 can be omitted, which increases the detection efficiency.

Die Empfindlichkeit des Interferometers gegenüber Weglängenänderungen in einem Interferometerarm bei Verwendung von N-fach korrelierten Photonen ist gleich der Empfindlichkeit bei Verwendung des Pumplichts. Somit ergibt sich eine N-fach höhere Modulationsfrequenz für die N-fach korrelierten Photonen gegenüber der Modulationsfrequenz F0 der nichtkorrelierten Photonen. Durch eine elektronische Filterung kann das Heterodynsignal, das mit F0 moduliert ist, unterdrückt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass nur das Heterodynsignal, das aus der Interferenz der N-fach korrelierten Photonen resultiert, gemessen wird. The sensitivity of the interferometer to changes in path length in one Interferometer poor when using N-times correlated photons is the same Sensitivity when using the pump light. This results in an N times higher Modulation frequency for the N times correlated photons compared to the Modulation frequency F0 of the uncorrelated photons. Through electronic filtering the heterodyne signal modulated with F0 can be suppressed. This will ensures that only the heterodyne signal resulting from the interference of the N-fold correlated photons results, is measured.

Das Licht im Referenzstrahlengang in Abb. 4 und 5 wird gegenüber dem Licht im Objektstrahlengang frequenzverschoben. Dies kann durch eine Phasenmodulation PM mit einem speziellen Bauelement z. B. einem akusto-optischen Modulator oder durch die Änderung der optischen Weglänge D eines Interferometerarmes (d. h. durch Dopplerverschiebung) erfolgen. Die Verschiebung D erfolgt über einen Bereich von einigen Mikrometern (über einige Wellenlängen der Pumpstrahlung). Das am Scaler SCA gemessene zeitabhängige Signal S wird demoduliert, um die Einhüllende des Interferenzsignals zu erhalten und den nichtmodulierten Untergrund (der nicht interferiert hat) abzuspalten. Eine solche Demodulation kann z. B. phasenunempfindlich durch eine Gleichrichtung und anschließende Tiefpassfilterung erfolgen. Alternativ kann die Demodulation auch phasenempfindlich in einem Lock-In Verstärker nach Gleichrichtung des Signals erfolgen, wobei der Lock-In mit dem Treibersignal der Phasenmodulation T als Referenz getriggert wird. Im Anschluß erfolgt eine Weiterverarbeitung und entsprechende Anzeige des Meßsignals in einem Rechner PC. The light in the reference beam path in Fig. 4 and 5 is frequency shifted compared to the light in the object beam path. This can be done by phase modulation PM with a special component such. B. an acousto-optical modulator or by changing the optical path length D of an interferometer arm (ie by Doppler shift). The shift D takes place over a range of a few micrometers (over a few wavelengths of the pump radiation). The time-dependent signal S measured at the scaler SCA is demodulated in order to obtain the envelope of the interference signal and to split off the non-modulated background (which did not interfere). Such demodulation can e.g. B. phase insensitive by rectification and subsequent low-pass filtering. Alternatively, the demodulation can also be phase-sensitive in a lock-in amplifier after rectification of the signal, the lock-in being triggered with the driver signal of the phase modulation T as a reference. This is followed by further processing and corresponding display of the measurement signal in a computer PC.

Bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle mit einer Typ II Phasenanpassung kann vorzugsweise der Strahlteiler BS2 als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet werden. Hierdurch erhöht sich die Effizienz der Koinzidenzmessung. Zusätzlich können Filter F zur Einschränkung des detektierten Wellenlängenbereiches vor die Detektoren eingeschalten werden. When using a non-classical light source with a type II phase adjustment the beam splitter BS2 can preferably be designed as a polarization beam splitter. This increases the efficiency of the coincidence measurement. Filters F can also be used Restriction of the detected wavelength range switched on before the detectors become.

Abb. 6 zeigt eine weitere Interferometeranordnung bestehend aus einem Mach-Zehnder Interferometer BS1/P/M1/M2/BS2 schematisch. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Im Interferometer werden zwei Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) tastet die Probe P in Auflicht im Objektstrahlengang ab. Der zweite Teilstrahl (3) durchläuft den Referenzarm, wobei das Licht über zwei Spiegel M1 und M2 mit dem von der Probe P rückgestreuten Licht am Strahlteiler BS2 interferometrisch überlagert wird. Die beiden Interferometerarme besitzen wiederum verschiedene optische Weglängen. Die Detektion erfolgt hinter BS2 analog zu der Anhand von Abb. 4 bzw. Abb. 5 beschriebenen. Im Falle einer Intensitätsmessung kann auch eine balanced detection nach dem Stand der Technik (M. Hee, J. Izatt, J. Jacobson, J. Fujimoto, and E. Swanson, Femtosecond transillumination optical coherence tomography, Optics Letters 18 (1993), 950-952) vorteilhaft zur Anwendung kommen. Diese ist in Abb. 7 beispielhaft dargestellt. Fig. 6 shows another interferometer arrangement consisting of a Mach-Zehnder interferometer BS1 / P / M1 / M2 / BS2 schematically. The pump light is in turn suppressed with the help of a long pass filter HPF. Two partial beams are generated in the interferometer at the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) scans the sample P in reflected light in the object beam path. The second partial beam ( 3 ) passes through the reference arm, the light being interferometrically superimposed on the beam splitter BS2 via two mirrors M1 and M2 with the light backscattered by the sample P. The two interferometer arms in turn have different optical path lengths. The detection takes place behind BS2 analogous to that described with reference to Fig. 4 or Fig. 5. In the case of an intensity measurement, balanced detection according to the prior art (M. Hee, J. Izatt, J. Jacobson, J. Fujimoto, and E. Swanson, Femtosecond transillumination optical coherence tomography, Optics Letters 18 (1993), 950 -952) are used to advantage. This is shown as an example in Fig. 7.

Abb. 8 zeigt eine weitere Interferometeranordnung bestehend aus einem Mach-Zehnder Interferometer BS1/M1/M2/BS2 schematisch. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Im Interferometer werden 2 Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) tastet die Probe P in Durchlicht im Objektstrahlengang ab. Der zweite Teilstrahl (3) dient als Referenzarm, wobei das Licht über zwei Spiegel M1 und M2 mit dem durch die Probe P transmittierten Licht am Strahlteiler BS2 interferometrisch überlagert wird. Die beiden Interferometerarme besitzen wiederum verschiedene optische Weglängen. Die Detektion erfolgt an BS2 analog zu der Anhand von Abb. 4 beschriebenen. Fig. 8 shows another interferometer arrangement consisting of a Mach-Zehnder interferometer BS1 / M1 / M2 / BS2 schematically. The pump light is in turn suppressed with the help of a long pass filter HPF. In the interferometer, 2 partial beams are generated on the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) scans the sample P in transmitted light in the object beam path. The second partial beam ( 3 ) serves as a reference arm, the light being interferometrically superimposed on the beam splitter BS2 by means of two mirrors M1 and M2 with the light transmitted by the sample P. The two interferometer arms in turn have different optical path lengths. The detection is carried out on BS2 analogously to that described in Fig. 4.

Bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle mit Gaußschem Spektrum mit Bandbreite δω und Mittenfrequenz ω₀ des Pumplichtes und eines Objektivs mit halbem Aperturwinkel α ergibt sich bei vollständiger Dispersionsbalance für ein lateral homogenes, dünnes Objekt als Einhüllende in Fokusnähe:

wobei k = ω₀/c und z der Abstand der Beobachtungsebene von der Fokalebene im Objekt sind. Für hohe numerische Aperturen und geringer Bandbreite des Lichtes wird die axiale optische Auflösung durch die konfokale Tiefendiskriminierung gekennzeichnet. Diese ergibt sich aus der Mittenfrequenz des Pumplichtes und nicht der Lichtfrequenz der Einzelphotonen. Im allgemeinen wird die Heterodyndetektion die konfokale Tiefendiskriminierung verbessern. Analog wird auch die laterale Auflösung durch die Mittenfrequenz des Pumplichtes bestimmt. Es ist besonders darauf zu verweisen, daß die optische Heterodyndetektion eine konfokale Abbildung ohne konfokale Blende sichert. Zur Verringerung des detektierten Untergundes kann aber zusätzlich eine konfokale Blende vorgesehen werden, die aber die optische Auflösung nicht verändert. When using a non-classical light source with a Gaussian spectrum with bandwidth δω and center frequency ω _{0 of} the pump light and a lens with half aperture angle α, the result is a completely homogeneous, thin, homogeneous envelope as an envelope near the focus:

where k = ω ₀ / c and z are the distance of the observation plane from the focal plane in the object. For high numerical apertures and narrow bandwidths of light, the axial optical resolution is characterized by confocal depth discrimination. This results from the center frequency of the pump light and not the light frequency of the individual photons. In general, heterodyne detection will improve confocal depth discrimination. Similarly, the lateral resolution is determined by the center frequency of the pump light. It should be particularly pointed out that optical heterodyne detection ensures confocal imaging without a confocal aperture. To reduce the detected background, a confocal aperture can also be provided, but this does not change the optical resolution.

Zusammenfassend kann bei Fokussierung von nichtklassisch-korreliertem Licht die axiale und laterale optische Auflösung im Vergleich zur Fokussierung von klassischen Licht z. B. Laserlicht über das Beugungslimit hinaus erhöht werden. Ein erfindungsgemäßes System, das nichtklassisches Licht bestehend aus N-fach korrelierten Photonen mit einer mittleren Lichtfrequenz von Nω_p fokussiert, besitzt die gleiche optische Auflösung wie ein konfokales System, das klassisches Licht mit der Frequenz ω_p verwendet. In summary, when focusing non-classically correlated light, the axial and lateral optical resolution can be compared to focusing conventional light, e.g. B. Laser light can be increased beyond the diffraction limit. A system according to the invention, which focuses non-classical light consisting of N-fold correlated photons with an average light frequency of Nω _p , has the same optical resolution as a confocal system which uses classic light with the frequency ω _p .

Im folgenden werden bevorzugte erfindungsgemäße optische Anordnungen für ein Laser Scanning Mikroskop beschrieben. Die im folgenden beschriebenen Anordnungen verwendeten Interferometer (Michelson- und Mach-Zehnder-Interferometer), die ohne Einschränkung des Erfindungsumfanges auch durch andere aus dem Stand der Technik bekannte Interferometer ersetzt werden können. The following are preferred optical arrangements for a laser according to the invention Scanning microscope described. The arrangements described below used interferometers (Michelson and Mach-Zehnder interferometers) without Limitation of the scope of the invention also by others from the prior art known interferometers can be replaced.

Die z. B. in einem nichtlinearen Medium EPS erzeugten korrelierten Photonen gelangen in eine Interferometeranordnung. In Abb. 9 ist eine solche bestehend aus einem Michelson Interferometer schematisch gezeigt. Das Pumplicht wird mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Weiterhin kann die Unterdrückung des Pumplichts auch durch einen Polarisator oder Polarisationsstrahlteiler bei Verwendung von nichtklassischen Lichtquellen, bei denen die korrelierten Photonen senkrecht zu den Pumpphotonen polarisiert sind, erfolgen. Im Interferometer werden zwei Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) tastet die Probe P in Auflicht im Objektstrahlengang ab. Die Abtastung erfolgt mit zwei in einer Pupille des optischen Systems angeordneten Galvoscannern Scanner X und Scanner Y. Zwischen den Galvoscannern befindet sich eine Relayoptik RL, die eine Pupillenabbildung von Scanner X auf Scanner Y realisiert. Die Relayoptik kann in speziellen Anordnungen bei denen die beiden Scanner X und Y räumlich nahe beieinander angeordnet werden können entfallen. Im weiteren wird das Licht über eine Scanoptik SO, eine Tubuslinse TL und das Objekt O beugungsbegrenzt in die zu untersuchende Probe P abgebildet. The z. B. correlated photons generated in a nonlinear medium EPS reach an interferometer arrangement. Fig. 9 shows a schematic consisting of a Michelson interferometer. The pump light is suppressed with the help of an HPF long pass filter. Furthermore, the pump light can also be suppressed by a polarizer or polarization beam splitter when using non-classical light sources in which the correlated photons are polarized perpendicular to the pump photons. Two partial beams are generated in the interferometer at the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) scans the sample P in reflected light in the object beam path. The scanning takes place with two galvo scanners scanner X and scanner Y arranged in a pupil of the optical system. Between the galvo scanners there is a relay optic RL which realizes a pupil mapping from scanner X to scanner Y. The relay optics can be omitted in special arrangements in which the two scanners X and Y can be arranged spatially close to one another. Furthermore, the light is imaged into the sample P to be examined via a scanning optics SO, a tube lens TL and the object O with limited diffraction.

Der zweite Teilstrahl (3) dient als Referenzarm, wobei das Licht an einem Spiegel M in sich zurück reflektiert wird. Das von der Probe P rückgestreute Licht wird am Strahlteiler BS1 mit Licht des Referenzstrahlengangs interferometrisch überlagert. The second partial beam ( 3 ) serves as a reference arm, with the light being reflected back at a mirror M. The light backscattered from the sample P is interferometrically superimposed on the beam splitter BS1 with light from the reference beam path.

Die beiden Interferometerarme weisen eine Differenz der optischen Weglänge auf, die größer als die Kohärenzlänge der Einzelphotonen L_e ist. Am Strahlteiler BS1 aus einem Photonenpaar entstandene Einzelphotonen können somit nicht interferieren, da das Interferometer für diese nicht abgeglichen ist. Die Differenz der optischen Weglänge ist jedoch kleiner als die Kohärenzlänge L_p der Pumplichtquelle. Somit können sich korrelierten Photonen, die am Strahlteiler BS1 nicht in ihre Einzelphotonen aufgespalten worden sind noch interferieren, da diese aufgrund ihrer Verschränkung die wellenoptischen Eigenschaften der Pumplichtquelle besitzen. The two interferometer arms have a difference in the optical path length that is greater than the coherence length of the individual photons L _e . Single photons generated from a pair of photons at the beam splitter BS1 can therefore not interfere, since the interferometer is not adjusted for them. However, the difference in the optical path length is smaller than the coherence length L _{p of} the pump light source. Correlated photons which have not been split into their individual photons at the beam splitter BS1 can thus still interfere, since these have the wave-optical properties of the pumping light source due to their entanglement.

Am Ausgang des Interferometers (4) befindet sich eine Vorrichtung zur Koinzidenzmessung, die identisch der anhand von Abb. 4 erläuterten ist. Das am Scaler SCA gemessene Signal S wird demoduliert, um die Einhüllende des Interferenzsignals zu erhalten und den nichtmodulierten Untergrund (der nicht interferiert hat) abzuspalten. Analog wie bei Abb. 4 beschrieben kann auch hier auf eine Koinzidenzmessung verzichtet und diese durch eine einfache Intensitätsmessung ersetzt werden. Im Anschluß erfolgt eine Weiterverarbeitung und entsprechende Anzeige des Meßsignals in einem Rechner PC. Die optische Auflösung ergibt sich aus der Breite der Einhüllenden des Interferenzsignals, welche durch die spektrale Charakteristik der Pumplichtquelle, die Dispersionsimbalance in den Interferometerarmen und die numerische Apertur des Mikroskopobjektivs im Objektstrahlengang bestimmt wird. At the output of the interferometer ( 4 ) there is a device for coincidence measurement, which is identical to that explained with reference to Fig. 4. The signal S measured at the scaler SCA is demodulated in order to obtain the envelope of the interference signal and to split off the non-modulated background (which did not interfere). Analogous to that described in Fig. 4, coincidence measurement can also be dispensed with here and replaced by a simple intensity measurement. This is followed by further processing and corresponding display of the measurement signal in a computer PC. The optical resolution results from the width of the envelope of the interference signal, which is determined by the spectral characteristics of the pump light source, the dispersion imbalance in the interferometer arms and the numerical aperture of the microscope objective in the object beam path.

Bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle mit Typ II-Phasenanpasssung kann wiederum vorzugsweise der Strahlteiler BS2 als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet werden. Hierdurch erhöht sich die Effizienz der Koinzidenzmessung. Zusätzlich können Filter F zur Einschränkung des detektierten Wellenlängenbereiches vor die Detektoren eingeschalten werden. When using a non-classic light source with type II phase adjustment, again preferably the beam splitter BS2 is designed as a polarization beam splitter become. This increases the efficiency of the coincidence measurement. In addition, you can Filter F to limit the detected wavelength range in front of the detectors be switched on.

Abb. 10 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung in einem Laser Scanning Mikroskop bestehend aus einem Mach-Zehnder Interferometer schematisch. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Im Interferometer werden 2 Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) tastet die Probe P in Auflicht im Objektstrahlengang analog Abb. 9 ab. Der zweite Teilstrahl (3) dient als Referenzarm, wobei das Licht über zwei Spiegel M1 und M2 mit dem von der Probe P rückgestreuten Licht am Strahlteiler BS2 interferometrisch überlagert wird. Die beiden Interferometerarme besitzen wiederum verschiedene optische Weglängen. Die Detektion erfolgt an BS2 analog zu der anhand von Abb. 4 beschriebenen. Das am Scaler SCA gemessene Signal S wird demoduliert, um die Einhüllende des Interferenzsignals zu erhalten und den nichtmodulierten Untergrund abzuspalten. Analog wie bei Abb. 4 beschrieben kann auch hier auf eine Koinzidenzmessung verzichtet und diese durch eine einfache Intensitätsmessung ersetzt werden. Im Anschluß erfolgt eine Weiterverarbeitung und entsprechende Anzeige des Meßsignals in einem Rechner PC. Die optische Auflösung ergibt sich aus der Breite der Einhüllenden des Interferenzsignals, welche durch die spektrale Charakteristik der Pumplichtquelle, die Dispersionsimbalance in den Interferometerarmen und die numerische Apertur des Mikroskopobjektivs im Objektstrahlengang bestimmt wird. Fig. 10 shows another preferred arrangement in a laser scanning microscope consisting of a Mach-Zehnder interferometer schematically. The pump light is in turn suppressed with the help of a long pass filter HPF. In the interferometer, 2 partial beams are generated on the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) scans the sample P in reflected light in the object beam path analogous to Fig. 9. The second partial beam ( 3 ) serves as a reference arm, the light being interferometrically superimposed on the beam splitter BS2 via two mirrors M1 and M2 with the light backscattered by the sample P. The two interferometer arms in turn have different optical path lengths. The detection on BS2 is analogous to that described with reference to Fig. 4. The signal S measured at the scaler SCA is demodulated in order to obtain the envelope of the interference signal and to split off the non-modulated background. Analogous to that described in Fig. 4, coincidence measurement can also be dispensed with here and replaced by a simple intensity measurement. This is followed by further processing and corresponding display of the measurement signal in a computer PC. The optical resolution results from the width of the envelope of the interference signal, which is determined by the spectral characteristics of the pump light source, the dispersion imbalance in the interferometer arms and the numerical aperture of the microscope objective in the object beam path.

Bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle mit einer Typ II-Phasenanpassung kann wiederum vorzugsweise der Strahlteiler BS2 als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet werden. Hierdurch erhöht sich die Effizienz der Koinzidenzmessung. Zusätzlich können Filter F zur Einschränkung des detektierten Wellenlängenbereiches vor die Detektoren eingeschalten werden. When using a non-classical light source with a type II phase adjustment The beam splitter BS2 can in turn preferably be designed as a polarization beam splitter become. This increases the efficiency of the coincidence measurement. In addition, you can Filter F to limit the detected wavelength range in front of the detectors be switched on.

Abb. 11 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung in einem Laser Scanning Mikroskop bestehend aus einem Mach-Zehnder Interferometer und einer konfokalen Blende schematisch. Generell kann auch das anhand von Abb. 9 beschriebene Michelson Interferometer eingesetzt werden. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt und gelangt über einen Strahlteiler BS auf die zu untersuchende Probe P, die mit Hilfe der bereits oben erläuterten Scanner X und Y abgetastet werden kann. Das von der Probe rückgestreute Licht gelangt durch den Strahlteiler BS und ein Teleskop bestehend aus L1/L2 auf den Eingang des Interferometers (1). Im Brennpunkt des Teleskops ist eine konfokale Blende PH angeordnet. Die Reihenfolge von Teleskop mit konfokaler Blende und Interferometer kann vertauscht werden. Mit Hilfe der konfokalen Blende kann die optische Tiefenauflösung eingestellt werden. Im Interferometer werden 2 Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) gelangt direkt zu einem weiteren Strahlteiler BS2. Der zweite Teilstrahl (3) dient als Referenzarm, wobei das Licht über zwei Spiegel M1 und M2 an BS2 mit dem Licht aus Teilstrahl (2) interferometrisch überlagert wird. Die beiden Interferometerarme besitzen wiederum verschiedene optische Weglängen. Die Detektion erfolgt an BS2 analog zu der Anhand von Abb. 4 beschriebenen. Das am Scaler SCA gemessene Signal S wird demoduliert, um die Einhüllende des Interferenzsignals zu erhalten und den nichtmodulierten Untergrund abzuspalten. Im Anschluß erfolgt eine Weiterverarbeitung und entsprechende Anzeige des Meßsignals in einem Rechner PC. Ausschlaggebend für die optische Auflösung ist erfindungsgemäß die Wellenlänge des Pumplichtes und nicht die Wellenlänge der Einzelphotonen. Dies wird dadurch erzielt, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung nur korrelierte Photonen, die als verschränktes Paar durch das Interferometer laufen detektiert werden. Fig. 11 shows another preferred arrangement in a laser scanning microscope consisting of a Mach-Zehnder interferometer and a confocal diaphragm. In general, the Michelson interferometer described in Fig. 9 can also be used. The pump light is in turn suppressed by means of a long pass filter HPF and reaches the sample P to be examined via a beam splitter BS, which sample can be scanned with the help of the scanners X and Y already explained above. The light backscattered from the sample passes through the beam splitter BS and a telescope consisting of L1 / L2 to the input of the interferometer ( 1 ). A confocal aperture PH is arranged at the focus of the telescope. The order of the telescope with confocal aperture and interferometer can be interchanged. The optical depth resolution can be set with the help of the confocal aperture. In the interferometer, 2 partial beams are generated on the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) goes directly to another beam splitter BS2. The second partial beam ( 3 ) serves as a reference arm, the light being interferometrically superimposed on the light from the partial beam ( 2 ) via two mirrors M1 and M2 at BS2. The two interferometer arms in turn have different optical path lengths. The detection is carried out on BS2 analogously to that described in Fig. 4. The signal S measured at the scaler SCA is demodulated in order to obtain the envelope of the interference signal and to split off the non-modulated background. This is followed by further processing and corresponding display of the measurement signal in a computer PC. According to the invention, the decisive factor for the optical resolution is the wavelength of the pump light and not the wavelength of the individual photons. This is achieved in that the arrangement according to the invention only detects correlated photons which pass through the interferometer as an entangled pair.

Bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle mit Typ II-Phasenanpassung kann wiederum vorzugsweise der Strahlteiler BS2 als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet werden. Hierdurch erhöht sich die Effizienz der Koinzidenzmessung. Zusätzlich können Filter F zur Einschränkung des detektierten Wellenlängenbereiches vor die Detektoren eingeschalten werden. When using a non-classic light source with type II phase matching, again preferably the beam splitter BS2 is designed as a polarization beam splitter become. This increases the efficiency of the coincidence measurement. In addition, you can Filter F to limit the detected wavelength range in front of the detectors be switched on.

Abb. 12 zeigt eine weitere Interferometeranordnung bestehend aus einem Mach-Zehnder Interferometer BS1/M1/M2/BS2 schematisch. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Im Interferometer werden 2 Teilstrahlen am Strahlteiler BS1 erzeugt. Ein Teilstrahl (2) tastet die Probe P in Durchlicht im Objektstrahlengang ab. Fig. 12 shows another interferometer arrangement consisting of a Mach-Zehnder interferometer BS1 / M1 / M2 / BS2 schematically. The pump light is in turn suppressed with the help of a long pass filter HPF. In the interferometer, 2 partial beams are generated on the beam splitter BS1. A partial beam ( 2 ) scans the sample P in transmitted light in the object beam path.

Der zweite Teilstrahl (3) durchläuft den Referenzarm, wobei das Licht über zwei Spiegel M1 und M2 mit dem durch die Probe P transmittierten Licht am Strahlteiler BS2 interferometrisch überlagert wird. Die beiden Interferometerarme besitzen wiederum verschiedene optische Weglängen. Die Detektion erfolgt an BS2 analog zu der Anhand von Abb. 4 beschriebenen. The second partial beam ( 3 ) passes through the reference arm, the light being interferometrically superimposed on the beam splitter BS2 via two mirrors M1 and M2 with the light transmitted by the sample P. The two interferometer arms in turn have different optical path lengths. The detection is carried out on BS2 analogously to that described in Fig. 4.

Abb. 13 zeigt schematisch eine weitere Interferometeranordnung bestehend aus einem Ring-Interferometer BS1/M1/M2/BS1. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Ein Strahlteiler BS2 teilt das nichtlineare Licht in zwei in etwa gleiche Anteile auf. Der eine Teil des Lichtes wird gegenüber dem anderen Teil wie vorher beschrieben frequenzverschoben. Über einen weiteren Strahlteiler BS3 wird das frequenzverschobene Licht an PS1 mit dem übrigen Licht wieder überlagert. Sowohl der frequenzverschobene als auch der nicht frequenzverschobene Teil laufen im Ringinterferometer in beiden Richtungen (2, 3) um. In der Probe erzeugen die gegenläufigen und interferenzfähigen Anteile des Lichtes eine räumliche Interferenzstruktur innerhalb der Fokalbereiches. Die beiden Umlaufrichtungen überlagern sich an BS1 und die Detektion erfolgt hinter BS1 analog zu der anhand von Abb. 5 beschriebenen, wobei nur diejenigen Anteile zum Signal beitragen, die eine Modulation besitzen. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, die aus dem Stand der Technik bekannten Vorteile einer 4 Pi Konfiguration auszunutzen, die im wesentlichen zu einer weiteren Verbesserung der optischen Auflösung im Vergleich zur Standardbeleuchtung führen. Zur Aufnahme von optischen Schnitten wird die Probe in x, y, z gerastert (Objektscanner). Fig. 13 shows schematically another interferometer arrangement consisting of a ring interferometer BS1 / M1 / M2 / BS1. The pump light is in turn suppressed with the help of a long pass filter HPF. A beam splitter BS2 divides the nonlinear light into two roughly equal parts. One part of the light is shifted in frequency from the other part as previously described. The frequency-shifted light at PS1 is again superimposed with the rest of the light via a further beam splitter BS3. Both the frequency-shifted and the non-frequency-shifted part revolve in both directions ( 2 , 3 ) in the ring interferometer. In the sample, the opposing and interference-capable parts of the light create a spatial interference structure within the focal area. The two directions of rotation overlap at BS1 and the detection takes place behind BS1 in a manner analogous to that described with reference to FIG. 5, only those parts which have a modulation contribute to the signal. With the help of this arrangement, it is possible to take advantage of the advantages of a 4 pi configuration known from the prior art, which essentially lead to a further improvement in the optical resolution compared to standard lighting. To record optical sections, the sample is scanned in x, y, z (object scanner).

Abb. 14 zeigt die gleiche Interferometeranordnung aus Abb. 13 bestehend aus einem Ring-Interferometer BS1/M1/M2/BS1 jedoch diesmal mit einem Koinzidenzdetektor nach Abb. 4 schematisch. Das Pumplicht wird wiederum mit Hilfe eines Langpassfilters HPF unterdrückt. Ein Teil des nichtklassischen Lichtes wird gegenüber dem anderen Teil frequenzverschoben. Beide Umlaufrichtungen überlagern sich nach Durchlaufen des Ringes einschließlich der Probe wiederum an BS1 und die Detektion erfolgt hinter BS1 analog zu der anhand von Abb. 4 beschriebenen. Zur Aufnahme von optischen Schnitten wird die Probe in x, y, z gerastert (Objektscanner). Fig. 14 shows the same interferometer arrangement from Fig. 13 consisting of a ring interferometer BS1 / M1 / M2 / BS1 but this time schematically with a coincidence detector according to Fig. 4. The pump light is in turn suppressed with the help of a long pass filter HPF. Part of the non-classical light is shifted in frequency from the other part. Both directions of rotation overlap again after passing through the ring including the sample at BS1 and the detection takes place behind BS1 analogously to that described with reference to FIG. 4. To record optical sections, the sample is scanned in x, y, z (object scanner).

Abb. 15 zeigt die gleiche Interferometeranordnung aus Abb. 13 bestehend aus einem Ring-Interferometer BS1/M1/M2/M3/M4/Sc/BS1 jedoch diesmal mit einem zusätzlichen Scanner Sc zum Rastern der Probe P schematisch. Zwischen M1 und M4 bzw. M2 und M3 in einer Pupille der Mikroskopanordnung befindet sich je ein Scanner Sc (z. B. kardanisch aufgehängter Scanner) mit dem die Probe in x und y Richtung gerastert werden kann. Der Scanner ist beidseitig verspiegelt, so dass die Teilstrahlen jeweils reflektiert werden. Die Optiken SO und TL dienen der Abbildung der Pupille des Mikroskopobjektivs in die Ebene des Scanners Sc. Beide Umlaufrichtungen überlagern sich nach Durchlaufen des Ringes wiederum an BS1 und die Detektion erfolgt an BS1 analog zu der anhand von Abb. 4 beschriebenen. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, die Probe schnell in x und y-Richtung abzutasten und optische Schnitte zu generieren. Literatur [1] J. B. Pawley, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Plenum Press, New York and London, 1995.
[2] T. Corle and G. Kino, Confocal Scanning optical Microscopy and Related Imaging Systems, Academic Press, San Diego, 1996.
[3] T. Sawatari: Optical heterodyne scanning microscope. Applied Optics 12 (1973), 2768-2772
[4] M. Kempe and W. Rudolph: Analysis of heterodyne and confocal microscopy for illumination with broad-bandwidth light. J. of Mod. Opt. 43 (1996), 2189-2204
[5] H. P. Yuen and V. W. S. Chan: Noise in homodyne and heterodyne detection. Optics Letters 8 (1983), 177-179
[6] M. Kempe and W. Rudolph: Scanning microscopy through thick layers based on linear correlation. Optical Letters 19 (1994), 1919-1921
Joseph A. Izatt, Michael R. Hee, Gabrielle M. Owen, Eric A. Swanson, James G. Fujimoto: Optical coherence microscopy in scattering media. Optics Letters 19(1994), 590-592; J. M. Schmitt and K. Ben-Letaief: Efficient Monte Carlo simulation of confocal microscopy in biological tissue. JOSA A 13(1996), 952-961; M. Kempe, W. Rudolph, E. Welsch: Comparative study of confocal and heterodyne microscopy for imaging through scattering media. JOSA A 13(1996), 46-52
[8] M. C. Teich and B. E. A. Saleh, "Entangled-photon microscopy, spectroscopy, and imaging," U.S. Patent 5,796,477, August 1998.
[9] M. I. Kolobov, "The spatial behavior of nonclassical light, "Reviews of Modern Physics, vol. 71, no. 5, pp. 1539-1589 (1999).
[10] J. Brendel, E. Mohler, W. Martienssen, "Time-Resolved Dual-Beam Two-Photon Interferences with High Visibility", Physical Review Letters, vol. 66, no. 9, pp. 1142-1145 (1991)
[11] B. Bailey, D. L. Farkas, D. L. Taylor, and F. Lanni, "Enhancement of axial resolution in fluorescence microscopy by standing-wave excitation, "Nature (London) 366, 44-48 (1993). Fig. 15 shows the same interferometer arrangement from Fig. 13 consisting of a ring interferometer BS1 / M1 / M2 / M3 / M4 / Sc / BS1 but this time schematically with an additional scanner Sc for scanning the sample P. Between M1 and M4 or M2 and M3 in a pupil of the microscope arrangement there is a scanner Sc (e.g. gimbal-mounted scanner) with which the sample can be scanned in the x and y direction. The scanner is mirrored on both sides, so that the partial beams are reflected. The optics SO and TL serve to image the pupil of the microscope objective in the plane of the scanner Sc. Both directions of rotation overlap again after passing through the ring at BS1 and the detection at BS1 takes place analogously to that described with reference to FIG. 4. With this arrangement, it is possible to quickly scan the sample in the x and y directions and to generate optical sections. Literature [1] JB Pawley, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Plenum Press, New York and London, 1995.
[2] T. Corle and G. Kino, Confocal Scanning optical Microscopy and Related Imaging Systems, Academic Press, San Diego, 1996.
[3] T. Sawatari: Optical heterodyne scanning microscope. Applied Optics 12 (1973), 2768-2772
[4] M. Kempe and W. Rudolph: Analysis of heterodyne and confocal microscopy for illumination with broad-bandwidth light. J. of Mod. Opt. 43 (1996), 2189-2204
[5] HP Yuen and VWS Chan: Noise in homodyne and heterodyne detection. Optics Letters 8 (1983), 177-179
[6] M. Kempe and W. Rudolph: Scanning microscopy through thick layers based on linear correlation. Optical Letters 19 (1994), 1919-1921
Joseph A. Izatt, Michael R. Hee, Gabrielle M. Owen, Eric A. Swanson, James G. Fujimoto: Optical coherence microscopy in scattering media. Optics Letters 19: 590-592 (1994); JM Schmitt and K. Ben-Letaief: Efficient Monte Carlo simulation of confocal microscopy in biological tissue. JOSA A 13 (1996), 952-961; M. Kempe, W. Rudolph, E. Welsch: Comparative study of confocal and heterodyne microscopy for imaging through scattering media. JOSA A 13 (1996), 46-52
[8] MC Teich and BEA Saleh, "Entangled-photon microscopy, spectroscopy, and imaging," US Patent 5,796,477, August 1998.
[9] MI Kolobov, "The spatial behavior of nonclassical light," Reviews of Modern Physics, vol. 71, no. 5, pp. 1539-1589 (1999).
[10] J. Brendel, E. Mohler, W. Martienssen, "Time-Resolved Dual-Beam Two-Photon Interferences with High Visibility", Physical Review Letters, vol. 66, no. 9, pp. 1142-1145 (1991)
[11] B. Bailey, DL Farkas, DL Taylor, and F. Lanni, "Enhancement of axial resolution in fluorescence microscopy by standing-wave excitation," Nature (London) 366, 44-48 (1993).

Claims

1. Arrangement for increasing the resolution in a microscope, in particular a laser Scanning microscope wherein the illuminating light from a non-classical light source to generate N temporally and spatially correlated photons, N = 2.. .n, using photons one Pump wavelength, and there is an arrangement in the beam path of the microscope Heterodyne detection for the detection of the backscattered specimen and / or transmitted photons is provided.

2. Arrangement according to claim 1, the interferometer arms of the arrangement for heterodyne detection being a difference of have optical path lengths L which are greater than the coherence length Le of the individual, uncorrelated photons of the non-classical light source and less than or equal to Coherence length Lp of the pump light source is.

3. Arrangement according to one of the preceding claims, suppressing the interference of mutually uncorrelated photons by means of electronic frequency filtering of the detected heterodyne signal.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, a modulation of the optical in at least one of the interferometer arms Path length takes place.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein a detection of the transmitted and / or reflected or / or reflected or backscattered photons using a coincidence or intensity measurement (with or without single photon counting).

6. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein an electronic demodulation of the interference signal is phase sensitive or phase insensitive

7. Arrangement according to one of the preceding claims, the non-classically correlated photons by pumping a non-linear medium be generated.

8. Arrangement according to one of the preceding claims, using a Michelson interferometer in the beam path to superimpose the photons is provided.

9. Arrangement according to one of the preceding claims, a ring interferometer is provided in the beam path for superimposing the photons is.

10. Arrangement according to one of the preceding claims, a Mach-Zehnder interferometer in the beam path for superimposing the photons is provided.

11. Arrangement according to one of the preceding claims, an arrangement for scanning movement of the sample being provided.

12. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the illumination light is moved over the sample by means of a beam scanner.

13. Arrangement according to one of the preceding claims, the light radiation from the interferometer arms moving the sample in the opposite direction passes through and in the sample an interferometric superposition of this light radiation done (4 Pi arrangement).

14. Method for increasing the resolution in a microscope, in particular a laser Scanning microscope wherein the illuminating light from a non-classical light source to generate N temporally and spatially correlated photons, N = 2.. .n, using photons one Pump wavelength is generated and in the beam path of the microscope by a Arrangement for heterodyne detection a proof of the reflected from the sample backscattered and / or transmitted photons.

15. The method according to claim 14, a difference in the interferometer arms of the arrangement for heterodyne detection of the optical path lengths L is set to be greater than the coherence length Le individual, uncorrelated photons of the non-classical light source and less than or equal is the coherence length Lp of the pump light source.

16. The method according to any one of the preceding claims, suppressing the interference of mutually uncorrelated photons by means of electronic frequency filtering of the detected heterodyne signal.

17. The method according to any one of the preceding claims, a modulation of the optical in at least one of the interferometer arms Path length takes place.

18. The method according to any one of the preceding claims, wherein a detection of the transmitted and / or reflected or / or reflected or backscattered photons by means of a coincidence or intensity measurement, with or without single photon counting.

19. The method according to any one of the preceding claims, wherein an electronic demodulation of the interference signal is phase sensitive or phase insensitive.

20. The method according to any one of the preceding claims, the non-classically correlated photons by pumping a non-linear medium be generated.

21. The method according to any one of the preceding claims, using a Michelson interferometer in the beam path to superimpose the photons is provided.

22. The method according to any one of the preceding claims, a ring interferometer is provided in the beam path for superimposing the photons is.

23. The method according to any one of the preceding claims, a Mach-Zehnder interferometer in the beam path for superimposing the photons is provided.

24. The method according to any one of the preceding claims, creating a scanning movement of the sample.

25. The method according to any one of the preceding claims, wherein the illumination light is moved over the sample by means of a beam scanner.

26. The method according to any one of the preceding claims, the light radiation from the interferometer arms moving the sample in the opposite direction passes through and in the sample an interferometric superposition of this light radiation done (4 Pi arrangement).