DE102005044422A1 - Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein CARS-Mikroskop mit mindestens einer Pumpstrahlung abgebenden Pump-Laserquelle und einer Stokes-Strahlung abgebenden Stokes-Laserquelle, einer Probenbeleuchtungseinrichtung, die Pump- und Stokes-Strahlung in einen Probenraum fokussiert, und einem Detektor, der durch einen CARS-Prozess im Probenraum emittierte CARS-Strahlung detektiert.The The invention relates to a CARS microscope with at least one Pumping radiation emitting pump laser source and a Stokes radiation emitting Stokes laser source, a sample illumination device, the pump and Stokes radiation focused in a sample space, and a detector that emitted through a CARS process in the sample space CARS radiation detected.
Entwicklungen in der nichtlinearen Laser-Mikroskopie haben es ermöglicht, molekulare Spezies anhand ihrer charakteristischen Schwingungszustände durch den Einsatz der kohärenten anti-Stokes'schen Ramanstreuung (CARS = coherent anti-Stokes Raman scattering) mit hoher Ortsauflösung zu identifizieren. Die Veröffentlichung Volkmer A. et al., J. Phys. D, 2005, 38, R59-R81, schildert ein entsprechendes CARS-Mikroskop.developments in nonlinear laser microscopy have made it possible molecular species by their characteristic vibrational states the use of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS = coherent anti-Stokes Raman scattering) with high spatial resolution too identify. The publication Volkmer A. et al., J. Phys. D, 2005, 38, R59-R81, describes a corresponding CARS microscope.
Der
physikalische Ablauf des CARS-Prozesses ist schematisch in
Beim CARS-Prozeß ist die Stokes-Strahlung spektral rot-verschoben relativ zur Pump-Strahlung. Durch die Wechselwirkung eines Mediums mit der Pump- und Stokes-Welle wird ein mikroskopischer Eigenzustand im Medium kohärent bevölkert, dessen Energie der Differenz von Pump- und Stokes-Photon entspricht. Dieser Zustand kann von jeglicher Natur sein, z.B. einer molekulären Schwingung, Rotation oder einer elektronischen Resonanz entsprechen. Der Zustand im angeregten Ensemble ist kohärent und dessen Phase wird durch die Phasenbeziehung zwischen der Pump- und Stokes-Welle bestimmt. Durch die inelastische Streuung des Probe-Photons am angeregten Ensemble entsteht das entsprechend spektral blau-verschobene, anti-Stokes'sche CARS-Photon. Das CARS-Signal ist kohärent und der Phasenanpassung entsprechend räumlich ausgerichtet. Das System kehrt im gesamten Prozeß in den Ausgangszustand zurück. Es ist eine Anregung in allen Spektralbereichen möglich. Die im nachfolgenden beschriebene Methode zur mikroskopischen Bildgebung kann auch Vierwellenmisch-Prozessen, wie z.B. die entartete Vierwellenmischung oder CSRS (Kohärente Stokes'sche Raman-Streuung), eingesetzt werden. Bei diesen Prozessen besitzen die beteiligten Photonen andere Frequenzen relativ zu einander, jedoch analog zum CARS-Prozeß führt die Wechselwirkung von zwei Photonen zur kohärenten Besetzung eines mikroskopischen Eigenzustands, von dem die Streuung eines weiteren Probe-Photons das kohärente Signal erzeugt.At the CARS process is the Stokes radiation spectrally red-shifted relative to the pump radiation. By the interaction of a medium with the pump and Stokes wave a microscopic eigenstate is coherently populated in the medium, its energy the difference of pump and Stokes photon corresponds. This condition may be of any nature, e.g. a molecular vibration, Rotation or an electronic resonance correspond. The state in the animated ensemble is coherent and whose phase is determined by the phase relationship between the pumping and Stokes wave determined. Due to the inelastic scattering of the sample photon at excited ensemble, the corresponding spectral blue-shifted, anti-Stokes CARS photon. The CARS signal is coherent and the phase matching aligned accordingly. The system returns throughout the process Initial state back. It is possible to excite in all spectral ranges. The in the following described method for microscopic imaging may also be four-wave mixing processes, e.g. the degenerate four-wave mixing or CSRS (coherent Stokes Raman scattering) become. In these processes, the photons involved have different Frequencies relative to each other, but analogous to the CARS process leads the Interplay of two photons for the coherent occupation of a microscopic one Eigenstate, from which the scattering of another sample photon the coherent one Signal generated.
Aufgrund
der Energie- und Impulserhaltung beim in
Durch die nichtlineare Beziehung zwischen der Intensität der eingehenden Laserstrahlung und der CARS-Strahlung entsteht letztere nur in einem zum Laserfokus eingeengten Bereich, wodurch eine hohe Ortsauflösung erreicht ist. Ein räumliches Abscannen des Probenvolumens liefert dann gewünschte zwei- oder drei-dimensionale Bilder.By the non-linear relationship between the intensity of the incoming laser radiation and the CARS radiation is created only in one of the laser focus narrowed area, whereby a high spatial resolution is achieved. A spatial scanning of the sample volume then provides desired two- or three-dimensional Images.
Die molekulare Erkennung beruht also auf der intrinsischen Raman-Resonanzverstärkung eines CARS-Prozesses. Sie erfolgt, wenn die am CARS-Prozess beteiligten Laser auf die Raman-Verschiebung einer charakteristischen, molekularen Schwingung abgestimmt werden. Aufgrund der optischen Nichtlinearität ist die hohe Ortsauflösung möglich, und der Prozeß kann ohne synthetischen Marker erfolgen, der ansonsten zur Störung der Struktur und Funktion des zu untersuchenden Systems führen könnten. CARS-Mikroskopie ist daher besonders für biologische Fragestellungen von großem Interesse.The Molecular recognition is thus based on the intrinsic Raman resonance amplification of a CARS process. It takes place when those involved in the CARS process Lasers on the Raman shift a characteristic, molecular vibration to be tuned. Due to the optical nonlinearity, the high spatial resolution is possible, and the process can be done without synthetic marker, which otherwise interferes with the Structure and function of the system under investigation. CARS microscopy is therefore especially for biological Issues of great Interest.
Bei Untersuchungen an biologischen Systemen zeigen sich jedoch Probleme im Kontrast zwischen unterschiedlichen Substanzen, da die relevanten Bereiche im Raman-Spektrum eine hohe spektrale Dichte aufweisen und die Banden dieser Systeme oftmals eine erhebliche inhomogene Verbreiterung zeigen. Somit ist die selektive Abfrage einer bestimmten Raman-Resonanz aufgrund der Überlagerung von verschiedenen Banden erschwert und die Differenzierung molekularer Spezies begrenzt. Zu dem kommt die limitierte spektrale Auflösung der Laser aufgrund des Pulsbetriebes. Eine weitere Verminderung der Signalqualität wird durch den hohen Untergrund des nicht-resonanten CARS-Signals verursacht.However, investigations on biological systems show problems in the contrast between different substances, since the relevant regions in the Raman spectrum have a high spectral density and the bands of these systems often show a considerable inhomogeneous broadening. Thus, the selective interrogation of a particular Raman resonance is difficult due to the superposition of different bands and limits the differentiation of molecular species. In addition, there is the limited spectral resolution of the laser due to the pulsed operation. Further degradation of signal quality is caused by the high background of the non-resonant CARS signal.
Die WO 03/004983 A1, die ein CARS-Mikroskop der eingangs genannten Art offenbart, setzt einen polarisationsempfindlichen Detektor, der einen drehbaren Polarisationsanalysator aufweist, ein. Weiter werden die Polarisationen des Pump-Strahles und des Stokes-Strahles aufeinander abgestimmt, so daß sie beide linear polarisiert sind, wobei zwischen den Polarisationsrichtungen ein bestimmter Winkel > 0 eingestellt ist.The WO 03/004983 A1, which is a CARS microscope of the type mentioned discloses a polarization-sensitive detector, the a rotatable polarization analyzer. Continue to be the polarizations of the pump beam and the Stokes beam on each other voted so that they both are linearly polarized, being between the polarization directions a certain angle> 0 is set.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein CARS-Mikroskop zu schaffen, das nicht-resonanten CARS-Signaluntergrund besser unterdrückt und eine verbesserte Differenzierung molekularer Spezies ermöglichen.Of the The invention is therefore based on the object, a CARS microscope to create that non-resonant CARS signal background better suppressed and improved differentiation enable molecular species.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Mikroskop der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Probenbeleuchtungseinrichtung eine Polarisatoreinheit aufweist, welche Pump- und Stokes-Strahlung linear und parallel zueinander polarisiert, und bei dem der Detektor eine Polarisationsanalysatoreinheit vorgeordnet ist, die eine ellipsometrische Analyse der CARS-Strahlung durchführt.These Task is according to the invention with a Microscope of the type mentioned, in which the sample illumination device having a polarizer unit which pump and Stokes radiation polarized linearly and parallel to each other, and in which the detector a polarization analyzer unit is arranged upstream, which is an ellipsometric Analysis of CARS radiation performs.
Diese Analyse kann z.B. dadurch erfolgen, daß die Einheit elliptisch polarisierte Anteile der CARS-Strahlung filtert und nicht-elliptische Anteile unterdrückt.These Analysis can e.g. be done by the unit elliptically polarized Shares of CARS radiation filters and suppresses non-elliptical portions.
Eine deutliche Verbesserung im Kontrast, in der molekularen Erkennung und in der strukturellen Zuordnung wird also durch die Analyse und Selektion unterschiedlicher Polarisationszustände im CARS-Signal erreicht. Deshalb ist die Polarisationsanalyseeinheit als Mittel für eine Analyse des elliptischen Anteils des Signals bei der nichtlinearen, mikroskopischen Methode vorgesehen. Der optische Aufbau ermöglicht es, die nichtlineare Raman-optische Aktivität (NL-ROA) aus dem Gesamtsignal zu isolieren und zu detektieren. Zu dem kann der nicht-resonante Anteil der CARS-Strahlung maßgeblich unterdrückt bzw. zur heterodynen Verstärkung des deutlich schwächeren NL-ROA-Anteils verwendet werden.A significant improvement in contrast, in molecular recognition and in the structural assignment is so through the analysis and Selection of different polarization states in the CARS signal achieved. Therefore, the polarization analysis unit is a means for analysis elliptical part of a signal at a nonlinear, microscopic Method provided. The optical design allows the nonlinear Raman optical activity (NL-ROA) from the Isolate and detect the total signal. To which can the non-resonant Proportion of CARS radiation is decisive repressed or for the heterodyne amplification of significantly weaker NL-ROA share are used.
Die Detektion von NL-ROA ist besonders bei biologischen Systemen von Relevanz, da Chiralität oder chirale Strukturelemente in fast allen wichtigen biologischen Molekülklassen, wie Proteine, DNA, RNA, Kohlenhydrate, vorhanden sind. Diese Eigenschaft spielt eine zunehmend wichtige Rolle bei synthetischen Materialien. Der Vergleich zwischen linearen ROA- und Raman-Spektren von komplexen biologischen Systemen zeigt kontrastreiche, charakteristische Banden im Fall von ROA, während die Raman-Spektren nur bedingt eindeutige Strukturen und guten Kontrast aufweisen. Diese deutliche Zunahme an Information ermöglicht es z.B. bei Proteinen, eine charakteristische Sekundärstruktur eindeutig zu differenzieren. Die nun erreichte Detektion von NL-ROA im Rahmen der CARS-Mikroskopie kombiniert die selektive Detektion von bestimmten molekularen Systemen anhand der Raman-Resonanzverstärkung aus der klassischen CARS-Mikroskopie mit der Identifizierung von charakteristischen chiralen Strukturelementen mittels der Raman-optischen Aktivität. Somit wird die nichtlineare Raman-optische Aktivität als neues Kontrastmittel neben der Raman-Resonanz in die CARS-Mikroskopie eingeführt und ein neuartiges Verfahren in der mikroskopischen Bildgebung geschaffen.The Detection of NL-ROA is particularly useful in biological systems of Relevance, because chirality or chiral structural elements in almost all important biological classes of molecules, how proteins, DNA, RNA, carbohydrates, are present. This attribute plays an increasingly important role in synthetic materials. The comparison between linear ROA and Raman spectra of complex biological systems shows contrasting, characteristic bands in the case of ROA, while the Raman spectra only partially definite structures and good contrast exhibit. This significant increase in information makes it possible e.g. in proteins, a characteristic secondary structure clearly differentiate. The now achieved detection of NL-ROA in CARS microscopy combines the selective detection of certain molecular systems based on Raman resonance amplification classical CARS microscopy with the identification of characteristic chiral structural elements by means of the Raman optical activity. Consequently becomes the non-linear Raman optical activity introduced as a new contrast agent in addition to the Raman resonance in the CARS microscopy and created a novel method in microscopic imaging.
Die Analyse der Elliptizität in der Polarisation der CARS-Strahlung, z.B. durch Herausfilterung der elliptisch-polarisierten Anteile zur Detektion und Unterdrückung der nicht elliptisch-polarisierten Anteile, führt also letztlich zu einer chiralsensitiven CARS-Mikroskopie. Die ellipsometrische Polarisationsanalyse des CARS-Signals nach vorheriger paralleler Polarisation von Pump- und Stokesstrahlung kontrastiert in der mikroskopischen Bildgebung die nichtlineare Raman-optische Aktivität. Damit sind Molekülstrukturen wie Proteine, DNA, RNA, Polysacharide, usw. selektiv detektierbar. Nichtresonanter Untergrund wird zugleich unterdrückt.The Analysis of ellipticity in the polarization of the CARS radiation, e.g. by filtering out the elliptically polarized portions for detection and suppression of not elliptic-polarized Shares, leads ultimately a chiral-sensitive CARS microscopy. The ellipsometric Polarization analysis of the CARS signal after previous parallel Polarization of pumping and Stokes radiation contrasts in the microscopic Imaging the nonlinear Raman optical activity. In order to are molecular structures like Proteins, DNA, RNA, polysaccharides, etc. selectively detectable. non-resonant Underground is also suppressed.
Das erfindungsgemäße Mikroskop eignet sich also für nicht-punktsymmetrische Moleküle, die deshalb Chiralität, also eine Bevorzugung zirkularer Polarisationszustände mit bestimmter Drehrichtung bei CARS-Aktivität zeigen.The Microscope according to the invention is suitable for non-point-symmetric molecules, which is why chirality, So a preference for circular polarization states with show specific direction of rotation in CARS activity.
Wesentlich für diesen Ansatz ist, daß Pump- und Stokes-Strahlung mit gleicher linearer Polarisierung in den Probenraum bzw. in das Probenvolumen einfallen. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Probenbeleuchtungseinrichtung die Pump- und Stokes-Strahlung in Überlagerung bringt und danach die Polarisatoreinheit die lineare Polarisierung der überlagerten Strahlung bewirkt. Durch diesen Ansatz ist sichergestellt, daß die beiden Strahlungen identisch linear polarisiert sind.Essential For this Approach is that pumping and Stokes radiation with the same linear polarization in the sample space or invade the sample volume. It is therefore preferred that the sample illumination device brings the pumping and Stokes radiation in superposition and then the Polarizer unit the linear polarization of the superimposed Radiation causes. This approach ensures that the two Radiations are identically linearly polarized.
Die ellipsometrische Analyse der CARS-Strahlung kann prinzipiell mit jedem geeigneten Mittel erfolgen. Vorteilhafterweise weist die Polarisationsanalyseeinheit eine Lambda/4-Platte auf.The ellipsometric analysis of the CARS radiation can in principle be carried out by any suitable means. Advantageously, the Pola Risk analysis unit on a lambda / 4-plate.
Besonders einfach ist die Analyse, wenn die Polarisationsanalysatoreinheit die elliptisch polarisierten Anteile in linear polarisierte Strahlung umwandelt, wobei die Polarisationsrichtung unabhängig von der elliptischen Polarisation einstellbar ist. Diese Einstellbarkeit stellt sicher, daß die nachfolgende Analyse der in linear Polarisierung umgewandelten elliptischen Polarisation ohne eventuell sonst störende polarisationsabhängige Effekte im Detektor bzw. der Detektoroptik erfolgen kann. Ansonsten könnte eine eventuelle Polarisationsabhängigkeit der nachfolgenden Optik den zu messenden Effekt überlagern oder unterdrücken.Especially simple is the analysis when the polarization analyzer unit the elliptically polarized portions in linearly polarized radiation The polarization direction is independent of the elliptical polarization is adjustable. This adjustability ensures that the subsequent analysis the converted in linear polarization elliptical polarization without possibly disturbing polarization dependent Effects in the detector or the detector optics can be done. Otherwise could one possible polarization dependence superimpose or suppress the effect to be measured on the subsequent optics.
Eine besonders zweckmäßig und einfach zu realisierende Variante der Polarisationsanalysatoreinheit verwendet eine Reihenschaltung aus einem Lambda/4-Element und einem linearem Polarisationsfilter. Schaltet man dazwischen noch ein Lambda/2-Element, ist die erwähnte Unabhängigkeit der linearen Polarisationsrichtung von der elliptischen Polarisation gegeben, da man durch Drehen des Lambda/2-Elementes eine konstante Ausrichtung der Polarisationsrichtung der umgewandelten Strahlung sicherstellen kann. Polarisationsabhängige Reflexionen der nachfolgenden Optik, wie sie beispielsweise bei optischen Reflexionsgittern auftreten können, wirken sich dann nicht für verschiedene elliptische Polarisationszustände unterschiedlich aus, sondern können immer gleichmäßig minimiert werden.A especially functional and easy to implement variant of the polarization analyzer unit uses a series combination of a lambda / 4 element and a linear polarization filter. If you switch between a lambda / 2 element, is the mentioned one independence the linear polarization direction of the elliptical polarization given that by turning the lambda / 2 element a constant Orientation of the polarization direction of the converted radiation can ensure. Polarization-dependent reflections of the following Optics, as they occur for example in optical reflection gratings can, then do not work for different elliptical polarization states different, but can always minimized evenly become.
Um das CARS-Mikroskop für verschiedene elliptische Polarisationszustände besonders bequem anwenden zu können, ist es vorteilhaft, die Polarisatoreinheit, den linearen Polarisationsfilter und, soweit vorhanden, auch das Lambda/2-Element hinsichtlich ihrer für die Polarisation wirksamen Richtung verstellbar auszugestalten, beispielsweise drehbar im Strahlengang zu halten.Around the CARS microscope for Apply different elliptic polarization states particularly convenient to be able to it is advantageous, the polarizer unit, the linear polarizing filter and, if present, the lambda / 2 element in terms of their for the Polarization effective direction adjustable to design, for example rotatably in the beam path to keep.
Eine möglichst vollautomatisch arbeitendes Mikroskop erreicht man durch Verwendung eines Steuergerätes, daß die Polarisationseinheit, den linearen Polarisationsfilter und, soweit vorhanden, auch das Lambda/2-Element ansteuert und diese hinsichtlich ihrer für die Polarisation wirksamen Richtung einstellt und/oder ausliest.A preferably Fully automatic microscope can be reached by using a control unit, that the Polarization unit, the linear polarizing filter and, as far as present, also controls the lambda / 2 element and this regard her for sets the polarization effective direction and / or reads.
Die Einführung des Lambda/2-Elements ermöglicht eine polarisationsinvariante Detektion bei der Analyse des NL-ROA-Anteils im Signal, z.B. durch die Drehung des Elements und einer festen Analysator-Einstellung. Die elliptische Polarisation wird dann nicht durch die Drehung des Analysators vermessen. Durch diesen Ansatz bleibt die Polarisation am Detektor konstant in ihrer Ausrichtung. Dies ist äußerst günstig, um polarisationsabhängige Reflektionen an der nachfolgenden Optik, z.B. an optischen Reflektionsgittern, zu vermeiden. Die Polarisationsabhängigkeit der nachfolgenden Optik könnte ansonsten den NL-ROA-Effekt überlagern bzw. unterdrücken.The introduction of the lambda / 2 element a polarization-invariant detection in the analysis of NL-ROA content in the signal, e.g. by the rotation of the element and a fixed analyzer setting. The elliptical polarization will not be affected by the rotation of the Measure analyzer. By this approach, the polarization remains at the detector constant in their orientation. This is extremely cheap to polarization dependent Reflections on the subsequent optics, e.g. on optical reflection gratings, to avoid. The polarization dependence of the following Optics could otherwise overlay the NL-ROA effect or suppress.
Das Lambda/2-Element ermöglicht bei Drehbarkeit eine variable Einstellung eine heterodyne Verstärkung von NL-ROA durch den orthogonal polarisierte CARS-Anteil aus dem elektrischen Dipolmoment. Ein Drehen des Elements führt zu einem variablen Verhältnis in der Projektion dieser beiden Signalanteile auf die Ebene des Analysators, ohne daß dieser gedreht werden muß. Somit ist eine variable heterodyne Verstärkung ohne Drehung in der Polarisation des detektierten Signals möglich. Dies ist wie oben diskutiert aufgrund der Polarisationsabhängigkeit der nachfolgenden Optik von Vorteil.The Lambda / 2 element allows at rotation a variable setting a heterodyne gain of NL-ROA by the orthogonally polarized CARS portion from the electrical Dipole moment. Turning the element results in a variable ratio in the projection of these two signal components onto the analyzer level, without this must be turned. Thus, a variable heterodyne gain is without rotation in the polarization the detected signal possible. This is as discussed above due to the polarization dependence the subsequent optics of advantage.
Das Lambda/2-Element erlaubt weiter Polarisationsmethoden aus der klassischen CARS-Spektroskopie/Mikroskopie ohne die Verwertung chiraler Information, so daß eine Unterdrückung des nicht-resonanten Untergrunds bzw. Selektion unterschiedlicher Tensorkomponenten des CARS-Prozesses realisiert ist. Hierzu ist ein Mikroskop günstig, das eine Drehung der Polarisation der Stokes-Strahlung gegenüber der Pump-Strahlung z.B. mittels einer Lambda/2-Platte bewirkt. Zur Analyse des Signals wird keine Verzögerung zwischen orthogonalen Polarisationskomponenten eingestellt, und die Polarisationsanalysatoreinheit selektiert die gewünschte Polarisationskomponenten. Somit ist diese in der CARS-Mikroskopie etablierte Polarisationsmethode in Kombination mit den für chiralsensitiven NL-ROA-Messungen abwandelbar.The Lambda / 2 element allows further polarization methods from the classical CARS spectroscopy / microscopy without the utilization of chiral information, so that a suppression of the non-resonant background or selection of different tensor components CARS process is realized. For this purpose, a microscope is favorable, the a rotation of the polarization of the Stokes radiation with respect to Pump radiation e.g. effected by means of a lambda / 2 plate. For analysis the signal will not be delayed set between orthogonal polarization components, and the polarization analyzer unit selects the desired polarization components. Thus, this polarization method established in CARS microscopy is in Combination with the for chiral-sensitive NL-ROA measurements be modified.
Das erfindungsgemäße Mikroskop erreicht die notwendige Empfindlichkeit für die Detektion von NL-ROA-Anteilen in der CARS-Strahlung. Sowohl die vollständige Information aus polarisierten CARS-Messungen in achiralen Systemen als auch die Information aus NL-ROA und/oder optischer Rotationsdispersion (ORD) in chiralen Proben ist zugänglich. Die Erfindung zeigt deutlich Vorteile zu anderen chiralsensitiven Techniken. Methoden, die optische Aktivität untersuchten, beruhen zum Großteil auf einem Differenzsignal. Hierbei muß jeweils bei links- und rechts-zirkular polarisierter Eingangsstrahlung das Signal vermessen werden, bzw. der Anteil von links-, und rechtszirkular polarisiertem Licht im Signal bestimmt werden. Differenzverfahren führen jedoch zu einer deutlich langsameren Datenaufnahme. Die direkte Vermessung des NL-ROA-Anteils erreicht die hohe Geschwindigkeit die für ein Laserscanning-Verfahren nötig ist. Zusätzlich werden die Schwierigkeiten, die mit dem Umschalten zwischen links- und rechts-zirkular polarisiertem Licht auftreten und besonders bei der erhöhten Bandbreite von gepulsten Quellen zu berücksichtigen sind, vermieden.The Microscope according to the invention achieves the necessary sensitivity for the detection of NL-ROA components in the CARS radiation. Both the complete information from polarized CARS measurements in achiral systems as well as the information from NL-ROA and / or Optical Rotation Dispersion (ORD) in chiral samples is accessible. The invention clearly shows advantages over other chiral-sensitive ones Techniques. Methods that examined optical activity are based on Bulk up a difference signal. This must be left and right circular polarized input radiation, the signal can be measured, or the proportion of left- and right-circularly polarized light in the signal be determined. Difference procedures, however, lead to a clear slower data recording. Direct measurement of NL-ROA content achieves the high speed required for a laser scanning process. additionally the difficulties associated with switching between left and right and right circularly polarized light occur and especially at the elevated Bandwidth of pulsed sources are to be avoided.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein CARS-Mikroskop anzugeben, das eine verbesserte Ortsauflösung insbesondere in Tiefenrichtung aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Mikroskop der eingangs genannten Art vorgesehen, das eine Einrichtung zur Erzeugung einer Referenz-Strahlung, die zur Pump- und zur Stokes-Strahlung phasengekoppelt ist, und Mittel zur interfermetrischen Überlagerung der Referenz-Strahlung mit der CARS-Strahlung am Detektor aufweist.Of the Invention is further based on the object, a CARS microscope specify that an improved spatial resolution, especially in the depth direction having. To the solution This object is inventively a microscope provided of the type mentioned, which is a device for Generation of a reference radiation, the pump and the Stokes radiation phase-locked, and means for interferometric superposition the reference radiation with the CARS radiation at the detector has.
Der Einsatz von phasengekoppelten Pump- und Stokes-Lasern in einem CARS-Prozess sowie von phasengekoppelter heterodyner Detektion des CARS-Signals mit Referenz-Strahlung bietet eine Verbesserung in der axialen Auflösung von bis zu zwei Größenordnungen gegenüber klassischen beugungsbegrenzten Abbildungsmethoden. Die genaue Auflösung ist abhängig von der Stabilität der Phasenkopplung und der räumlichen Stabilität der beteiligten Laserpulse und dem Signal sowie der Wellenlänge.Of the Use of phase-coupled pump and Stokes lasers in a CARS process as well as phase-locked heterodyne detection of the CARS signal with reference radiation provides an improvement in the axial resolution of up to two orders of magnitude across from classical diffraction-limited imaging methods. The exact resolution is dependent from the stability the phase coupling and the spatial stability the involved laser pulses and the signal as well as the wavelength.
Das erfindungsgemäße Mikroskop realisiert eine interferometrische Abbildung zur Steigerung der axialen Auflösung kombiniert mit einem Laser-Scanning-Verfahren zur lateralen Bildgebung und erlaubt auch eine Zeitauflösung in der Bildgebung, die nur durch Repetitionsrate und Detektorgeschwindigkeit bzw. Signalstärke und Detektorempfindlichkeit begrenzt ist. Somit ist eine Einzelschuß-Signaldetektion und gleichzeitig Echtzeit-Bildgebung möglich.The Microscope according to the invention realizes an interferometric mapping to increase the axial resolution combined with a laser scanning method for lateral imaging and also allows a time resolution in the imaging, which only by repetition rate and detector speed or signal strength and detector sensitivity is limited. Thus, a single-shot signal detection and simultaneous real-time imaging possible.
Erfindungsgemäß wird also ein CARS-Mikroskop mit einem interferometrischen Detektionsverfahren versehen. Das CARS-Mikroskop führt also mittels einer Interferometeranordnung eine holographische, mikroskopische Bildgebung aus und kombiniert dies mit der intrinsisch markerfreien molekularen Erkennung und Nichtlinearität des CARS-Prozesses. Wesentliches Merkmal ist dabei die Phasenkopplung zwischen Pump-, Stokes- und Referenz-Strahlung, bzw. entsprechenden Laserpulsen. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße phasensensitive CARS-Mikroskop in zwei unterschiedlichen optischen Anordnungen zu realisieren. So ist eine konfokale Strahlungsanordnung mit einem Laser-Scanning-Ansatz zur Bildgebung möglich. Auch kann eine nicht-kollineare Strahlenanordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung Heinrich C. et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 84, 812-818, beschrieben ist.Thus, according to the invention a CARS microscope with an interferometric detection method Mistake. The CARS microscope leads So by means of an interferometer a holographic, microscopic imaging, combining this with the intrinsic marker-free molecular recognition and nonlinearity of the CARS process. essential Feature is the phase coupling between pump, Stokes and Reference radiation, or corresponding laser pulses. in principle it is possible, the phase-sensitive invention CARS microscope in two different optical arrangements too realize. So is a confocal radiation arrangement with a Laser scanning approach possible for imaging. Also, a non-collinear beam arrangement may be used as described, for example, in the publication Heinrich C. et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 84, 812-818.
Die Referenz-Strahlung kann u.a. auf zwei verschienen Art und Weisen gewonnen werden. Zum einen wird ein optisch parametrischer Prozeß durch einen geeigneten optisch-parametrischen Oszillator ausgenutzt, der zur Pump- und zur Stokes-Strahlung und damit zur CARS-Strahlung phasengekoppelt ist. Zum anderen kann die Einrichtung zur Erzeugung der Referenz-Strahlung die Referenz-Strahlung aus der überlagerten Pump- und Stokes-Strahlung erzeugen. Sie weist dazu geeignete Mittel zum Überlagern der Pump- und Stokes-Strahlung auf. Vorzugsweise wird zur Erzeugung der Referenz-Strahlung ein getrennter CARS-Prozeß verwendet, der die gewünschte Referenz-Strahlung als CARS-Strahlung eines von der Probenvermessung unabhängigen CARS-Prozesses bereitstellt. Derart erzeugte Referenz-Strahlung ist dann automatisch phasengekoppelt zur Pump- und Stokes-Strahlung.The Reference radiation may i.a. in two different ways be won. On the one hand, an optically parametric process by a suitable optical parametric Oscillator used to pump and Stokes radiation and so that it is phase-locked to the CARS radiation. On the other hand, the Device for generating the reference radiation the reference radiation from the superimposed Generate pump and Stokes radiation. She has suitable means for this to overlay the Pump and Stokes radiation on. Preferably, for the production The reference radiation uses a separate CARS process that provides the desired reference radiation as CARS radiation of a CARS process independent of the sample measurement provides. Such generated reference radiation is then automatically phase-locked for pumping and Stokes radiation.
Wie erwähnt, kann zur Bildgebung vorteilhaft eine Scannereinrichtung verwendet werden, die den Probenraum mit überlagerter Pump- und Stokesstrahlung abscannt und die CARS-Strahlung abscannend aufnimmt. Dies liefert die gewünschte Bilderzeugung.As mentioned, For example, a scanner device may be used for imaging be superimposed with the sample space Scanned pump and Stokes radiation and absorbs the CARS radiation abscannend. This delivers the desired Imaging.
Alternativ kann auch die erwähnte nicht-kollineare Anordnung verwendet werden, wie sie in der genannten Veröffentlichung geschildert ist. Dann wird ein Phasengitter aus zwei beliebig aufgeweiteten Pump-Laserstrahlungspulsen mit einem nicht-kollinearen Stokes-Laserstrahlungspuls abgetastet. Die Pump-Laserstrahlung muß dann nicht gescannt werden. Die Kombination mit der Phasenkopplung zur Referenz-Strahlung erreicht dann eine interferometrisch gesteigerte axiale Auflösung und zugleich eine hohe Zeitauflösung, da zur Bildgewinnung kein Scanning-Verfahren nötig ist, wenn als Detektor ein bildgebender Detektor verwendet wird. Pump-, Stokes- und Referenz-Strahlung sind dann geeignet aufgeweitet, um das Bild insgesamt abzudecken.alternative can also the mentioned non-collinear arrangement can be used as mentioned in the publication is described. Then a phase grating of two arbitrarily expanded Pump laser radiation pulses with a non-collinear Stokes laser radiation pulse sampled. The pump laser radiation then does not have to be scanned. The combination with the phase coupling to the reference radiation reaches then an interferometrically increased axial resolution and at the same time a high time resolution, since no scanning process is necessary for image acquisition, if as a detector an imaging detector is used. Pump, Stokes and reference radiation are then appropriately expanded to cover the image as a whole.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The The invention will be described below with reference to the drawing by way of example explained in more detail. In the drawings shows:
In
Das
in
Die
Strahlungen werden gepulst derart eingesteuert, daß im Fokus
Eine
nachgeordnete Lambda/2-Platte
Die
gefilterte Strahlung
Die
Polarisationsanalyseeinheit
Zur
Analyse der Polarisation der CARS-Strahlung
Die
Analyse nützt
aus, daß der
NL-ROA-Anteil in der CARS-Strahlung
Um
festzustellen, ob die Probe
Die
Intensität
des Signals nach dem Analysator
Zur
Bildgebung des NL-ROA-Anteils wird die Probe
Dazu
wird die Lambda/4-Platte, wie oben beschrieben, eingestellt und
der Analysator wird um 90 Grad zum Polarisator
Hierdurch
ist die Auftragung der detektierten Signalintensität als Funktion
der Ortskoordinate automatisch eine Abbildung der molekularen Bestandteile der
Probe mit der gewählten
Raman-Resonanz,
d. h. also bei der gewählten
spektralen Analyse im Spektralanalysator
Die
Detektion des NL-ROA-Anteils kann nun vorzugsweise mit dem deutlich
intensiveren, nichtlinearen Anteil der CARS-Strahlung
Die Polarisationsanalyse bietet zudem die Möglichkeit, die optische Rotationsdispersion (ORD) in einer Probe zu charakterisieren und analog zur NL-ROA als Kontrast in der Bildgebung zu nutzen. Hierzu wird die Lambda/4-Platte aus dem Strahlengang entfernt. ORD in einer optisch aktiven Probe bewirkt eine Dispersion in der Drehung der linearen Polarisation von Pump- und Stokes-Strahlung und führt somit zu einer Drehung in der linearen Polarisation des gesamten CARS-Signals. Diese Drehung kann festgestellt werden, indem der Analysator 90° zum Polarisator eingestellt und das Signal als Funktion des Drehwinkels der Lambda/2-Platte aufgenommen wird. Bei achiralen Substanzen findet keine Rotation der Gesamtpolarisation des CARS-Signals statt, während optisch aktive bzw. chirale Probe einen Drehwinkel ≠ 0 aufweisen.The Polarization analysis also offers the possibility of optical rotation dispersion (ORD) in a sample and analogous to the NL-ROA as Contrast in imaging to use. For this purpose, the lambda / 4 plate removed from the beam path. ORD in an optically active sample causes a dispersion in the rotation of the linear polarization of pump and Stokes radiation and thus leads to a rotation in the linear polarization of the entire CARS signal. This rotation can be determined by the analyzer 90 ° to the polarizer adjusted and the signal as a function of the rotation angle of the lambda / 2 plate is recorded. In achiral substances no rotation of the Total polarization of the CARS signal instead, while optically active or chiral Sample a rotation angle ≠ 0 exhibit.
Zur
Bildgebung von ORD wird die Probe
Dazu
wird die Lambda/4-Platte, wie oben beschrieben, aus dem Strahlengang
entfernt, und der Analysator wird um 90° zum Polarisator
Hierdurch ist die Auftragung der detektierten Signalintensität als Funktion der Ortskoordinate automatisch eine Abbildung der molekularen Bestandteile der Probe, die optisch aktiv sind und somit chirale Strukturelemente besitzen.hereby is the plot of the detected signal intensity as a function The coordinate of the place automatically maps the molecular components of the Sample which are optically active and thus chiral structural elements have.
Die
Erfassung der gefilterten Strahlung
Das
CARS-Mikroskop
Zur
Bilderzeugung wird die überlagerte Strahlung
Die
Referenz-Strahlung
Die
Phasenkopplung zwischen CARS-Strahlung
Zur
Erzeugung der Referenz-Strahlung
Die
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