DD276992A3

DD276992A3 - Verfahren zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge

Info

Publication number: DD276992A3
Application number: DD30812487A
Authority: DD
Inventors: Tobias Damm; Michael Kaschke; Uwe Stamm; Heidrun Wabnitz
Original assignee: Univ Jena Friedrich Schiller
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1990-03-21
Also published as: DE3831880A1

Abstract

Verfahren zur Messung der ultraschnell ablaufende in Vorgaenge mikroskopischen Proben charakterisierenden optischen Parameter. Die Vorgaenge koennen mit hoher raeumlicher und zeitlicher Aufloesung verrfolgt werden. Verwendet werden zwei Laserstrahlen, ein Anregungs- und ein Teststrahl, die sich in mindestens einem der Parameter Wellenlaenge, Modulation, Polarisationsrichtung und/oder Einfallsrichtung voneinander unterscheiden. Beide Strahlen sind raeumlich unabhaengig voneinander und in beliebiger zeitlicher Abfolge auf die Probe zu bringen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Ve;fahren zur Untersuchung schneller Vorgänge mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in mikroskopischen Proben mit einem Laser-Raster-Mikroskop. Sie läßt sich vorteilhaft bei allen Untersuchungen einsetzen, bei denen eine hohe räumliche Auflösung bei mikroskopischen Objekten mit einer hohen zeitlichen Auflösung kombiniert werden soll. Eine solche Kombination ist von besonderem Interesse bei Objekten aus der Biologie, der Medizin, der Polymerchemie, der Festkörperphysik oder der Halbleiterelektronik.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind sowohl räumlich als auch zeitlich hochauflösende optische Untersuchungsverfahren (H.Graener, H.R.Felle; Helv.phys.acta 56 [1-3], 393) sowie deren Kombination (M. A. J.Rodgers, Pot.Engin.22, H5 [1983] 521) bekannt. Weiterhin sind zeitauflösende optische Verfahren mit einem Anregungs- und einem Testimpuls bekannt (J.Herrmann, B.Wilhelmi; Laser für ultrakurze Lichtimpulse-Akademie Berlin 1984). Bei den bekannten optischen Verfahren zur Kombination von räumlicher und zeitlicher Auflösung wird eine mikroskopische Probe mit einem kurzen Lichtimpuls angeregt und die entstehende Fluoreszenz zeitaufgelöst registriert. Hierbei läßt sich zwar die hohe räumliche Auflösung des Mikroskops ausnutzen, die zeitliche Auflösung wird jedoch durch die Eigenschaften des verwendeten elektronischen Nachweissystems begrenzt, in dem geschilderten Verfahren durch ein single-photon-counting-System. Es ist dabei eine Zeitauflösung im Bereich von einigen zehn bis hundert Pikosekunden erreichbar, die damit um Größenordnungen über der mit Methoden der Ultrakurzzeitspektroskcpie erreichbaren (gegenwärtig etwa 10 Femtosekunden) liegt. Bei dem genannten Verfahren erweist sich insbesondere die Beschränkung auf fluoreszierende Substanzen als wesentliche Einschränkung der Art der untersuchbaren Objekte.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei der Untersuchung von schnell ablaufenden Elementarprozessen den Informationsumfang zu vergrößern, indem andere spektroskopische Nachweismethoden, unter Beibehaltung der räumlichen Auflösung, angewendet werden, die eine erhöhte zeitliche Auflösung ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, schnell ablaufende Prozesse mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersuchen zu können und dabei zum einen eine Einschränkung der zeitlichen Auflösung durch eine nachfolgende elektronische Auswertung zu vermeiden und zum anderen die dem gegenwärtigen Stand der Technik entsprechende Einschränkung auf fluoreszierende Untersuchungsobjekte fallen zu lassen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in mikroskopischen Proben mit einem Laser-Raster-Mikroskop erfindungsgemäß dadurch, daß bezüglich der Probe mindestens zwei Laserstrahlen ultrakurzer Impulse, von denen mindestens ein orster als Anregungsstrahl und mindestens ein zweiter, der sich in mindestens einem der Parameter Wellenlänge, Modulation, Polarisationsrichtung und/oder Einfallsrichtung von dem ersten unterscheidet, als Teststrahl vorgesehen sind, die räumlich unabhängig voneinander und in boliobigor zeitlicher Abfolge auf die Probe gebracht werden können.

Die orfindungsgemäßo Lösung gelingt vorteilhaft dadurch, daß in einem geeigneten Mikroskop mindestens zwei Laserstrahlen ultrakurzer Impulse unabhängig voneinander räumlich auf der Probe positionierbar sind, von denen mindestens einer als Anregungsstrahl und mindostons einer als Toststrahl diont. Der zeitliche Abstand des Auftreffens der ultrakurzen Lichtimpulse auf dor Probo ist beliebig einstellbar.

Als Meßgröße diont die Veränderung (der Intensität, Energie, Polarisation und/oder Wellenlänge) dos transmittierten, roflektiorton, gestreuten und/oder gebeugten Teststrahles durch die angeregte Probe.

Durch ct;<) unabhängige räumliche Positioniei barkeit der Strahlen ultrakurzer Impulse erhält man eine raum-zeitliche Auflösung.

Im Gegensatz zum bekannten zeitlich auflösenden Laserfluoreszenzmikroskop (Einstrahlverfahren), können mit orfindungsgemäßen Verfahren auch Laufzeiteffekte von Anregungszuständen und räumliche Ausbreitungsphänomene (? B.

Diffusion) raum-zeitlich verfolgt werden. Der die Beeinflussung des Teststrahles hervorrufende physikalische Wechselwirkungsmechanismus in der Probe kann dabei spezifisch hinsichtlich des zu untersuchenden Objektes gewählt werden.

Beispielsweise lassen sich vorteilhaft nichtlinear-optische Methoden, wie Vierwellenmischung (FWM), kohärente Antistokas-Raman-Streuung (CARS), Frequenzverdopplung (SHG) u.a. ausnutzen. Bei diesen Methoden ist die Zeitauflösung nur durch die Dauer der verwendeten ultrakurzen Lichtimpulse begrenzt.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen, die anhand der in der Zeichnung dargestellten Anordnungen beschrieben werden, näher erläutert werden.

Das erste Ausführungsbeispiel betrifft die Untersuchung der raum-zeitlichen Ausbreitung von Erregungszuständen in Nervengeweben. Dabei wird mit einem Laserstrahl ein physiologisches Erregungsizentrum optisch angeregt. Diese Anregung hat eine Veränderung der optischen Eigenschaften des angeregten Gewebes zur Folge. Die Veränderung der optischen Eigenschaften des Nervengewebes läßt sich mit optischen Methoden nachweisen (z. B. Messung der Reflektivität oder Absorption). Die physiologisch bedingte Fortleitung der Erregung kann folglich ebenfalls mit optischen Methoden nachgewiesen werden.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung wird ein Laser 1 durch einen Steuerimpuls vor. einem Computer 11 gezündet, er emittiert einen optischen Anregungsimpuls, der über ein Spiegelsystem 4 und ein Mikroskopobjektiv 5 auf die Probe fokussiert wird. Durch Absorption dieses Laserimpulses wird der bestrahlte Ort der Probe angeregt. Nach einer vom Computer 11 vorgegebenen Zeitverzögerung At wird ein Laser 2 gezündet, dessen optischer Testirnpuls über ein zweites Positioniersystem 7 und das Objektiv 5 ebenfalls die Probe 6 erreicht. Da die Systeme 4 und 7 unabhängig voneinander arbeiten, ist eine freie Wahl des räumlichen Abstandes 8 zwischen Anregungs-und Testort auf der Probe 6 möglich. Die Intensität des Testimpulses nach der Probe wird mit einem Detektor gemessen, digitalisiert und im Computer 11 abgespeichert. Durch rasterförmiges Verschieben der Probe 6 mit einem x-y-Tisch, dessen Position der Computer 11 vorgibt, wird ein Bild aufgenommen und auf dem Monitor 3 dargestellt, das die Eigenschaften der Probe an jedem Punkt nach einer Zeit At nach der Anregung im Abstand 0 zeigt. Durch Variation des Abstandes und der Zeit At kann die Laufzeit der Erregungszustände gemessen werden. In einem zweiten Ausführungsbeispiei werden die chneh einen integrierten Schaltkreis laufenden elektrischen Schaltflanken verfolgt. Dazu wird die Strahlung eines modensynchronisierter, cw-Lasers 1, der einen kontinuierlichen Zug von sehr kurzen Lichtimpulsen aussendet, mit einem Teilerspiegel 12 geteilt. Der größere Teil (Anregungsimpuls 8) des Laserstrahls wird über eine optische Verzögerungsleitung 13 und ein MiKroskopobjektiv 14 auf den zu untersuchenden Schaltkreis 15 fokussiert. Hier wird durch die erzeugten Photoelektronen ein ausgewählter Transistor periodisch mit den Laserimpulsen umgeschaltet, so daß elektrische Schaltflanken synchron zu den Laserimpulsen durch den Schaltkreis laufen. Der zweite Teil des Laserstrahls (Testimpuls 19) wird durch ein Ablenksystem 17 und das Objektiv 14 auf den Schaltkreis fokussiert und rasterförmig abgelenkt. Der durch diesen Strahl an jedem Objektpunkt erzeugte Photostrom wird aus dem Betriebsstrom mit dem Widerstand 16 in eine Signalspannung U_s umgewandelt, die zum Aufbau eines Photostrombildes dient. Aus diesem Bild kann auf den logischen Zustand des durch den Testimpuls bestrahlten Transistors zur Zeit des Eintreffens dieses Impulses geschlossen werden. Durch Variation der Zeitverschiebung zwischen den Impulsen 18 und 19 von Bild zu Bild kann das Laufen der SchaltflanKe verfolgt werden.

Claims

Verfahren zur Messung der ultraschnell ablaufenden Vorgänge in mikroskopischen Proben charakterisierenden optischen Parametern mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit einem Laser-Raster-Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laser-Raster-Mikroskop mindestens zwei Laserstrahlen ultrakurzer Impulse, von denen mindestens ein erster als Anregungsstrahl und mindestens ein zweiter, der sich in mindestens einem der Parameter Wellenlänge, Modulation, Polarisationseinrichtung und/oder Einfallsrichtung von dem ersten unterscheidet, als Teststrahl vorgesehen sind, die räumlich unabhängig voneinander und mit gegenseitigem zeitlichem Bezug auf die Probe gebracht werden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen