DE102009036566B4

DE102009036566B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln

Info

Publication number: DE102009036566B4
Application number: DE200910036566
Authority: DE
Inventors: Phillip Olk; Lukas M. Eng
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-08-01
Also published as: DE102009036566A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Manipulation der Polarisation einer Beleuchtung (61) der Nanopartikel durchgeführt wird, indem im Fokus (69) eines Mikroskop-Objektivs (67) durch Depolarisation ein elektromagnetisches Feld hervorgerufen wird, dessen räumliche 3D-Orientierung direkt durch die zuvor vorgenommene Manipulation frei eingestellt wird,
wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
– Teilung eines polarisierten Eingangs-Strahlenbündels (21),
– Erzeugung zumindest eines linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (41) und eines polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51),
– Modifikation des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (41) und/oder des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51) bezüglich der Intensität und/oder Phase zu einem modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündel (42) und/oder zu einem modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel (52),
– Modifikation des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51) oder des modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (52) zu einem radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel (53),
– Vereinigung des modifizierten...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln.
In der Mikroskopie von nichtsphärischen Partikeln ist bekannt, dass der Streuquerschnitt eines einzelnen Partikels, also letztlich seine Helligkeit im Okular, von seiner räumlichen Orientierung gegenüber der Polarisationsrichtung der Beleuchtung abhängt. Um also die räumliche Orientierung eines elongierten Partikels, also beispielsweise eines Nanostäbchens festzustellen, wird systematisch die Polarisationsrichtung variiert. Die Richtung maximaler Helligkeit, die mit dem rotverschobensten Streuspektrum zusammenfällt, ist die Richtung der Längsachse des Partikels.
Dies gilt für alle drei Raumrichtungen.
In der herkömmlichen Polarisationsmikroskopie wird die Polarisation der Beleuchtung jedoch nur in der Ebene des Partikels – in der xy-Ebene – gedreht. Ragt das Nanostäbchen aus dieser Ebene heraus, so ist dies bisher nicht feststellbar, wenn seine Länge kleiner als die Schärfentiefe der abbildenden Optik ist.
Dem Problem wurde bisher mit folgenden Verfahren begegnet:

A. durch Ermittlung der Topographie mittels Rastersonden,
B. durch Verwendung radial polarisierten Lichts zur Erzeugung eines z-polarisierten Fokus und
C. durch Wiederholung des Streuversuchs in der xy-Ebene, in der xz- und in der yz-Ebene.

Die Nachteile des Verfahrens A bestehen darin, dass dabei der Aufwand um die Verwendung einer Rastersondentechnik mit all ihren Implikationen – Zeitaufwand, Kosten, Vibrationsempfindlichkeit – erhöht wird.
Die Nachteile des Verfahrens B bestehen darin, dass dabei zwei Phänomene – radial polarisiertes Licht und Depolarisierung im Fokus – genutzt werden, um eine Analyserichtung in z-Richtung zur Verfügung zu stellen. Das lässt keine quantitativen Aussagen über die Orientierung zu, es kann lediglich festgestellt werden, dass eine Orientierung aus der xy-Ebene hinaus vorliegt.
Die Nachteile des Verfahrens C bestehen darin, dass dabei die Installation mindestens einer zusätzlichen optischen Achse – die Detektionsrichtung – benötigt wird, was unter Umständen Platz- und Justageprobleme mit sich bringen kann.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines optischen Vektorstrahlenbündels ist in der Druckschrift US 20060268408 A1 beschrieben, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

– eine Umwandlung eines optischen Eingangsstrahlenbündels in zumindest zwei Ausgangsstrahlenbündel, wobei die zwei Ausgangsstrahlenbündel die gleiche Polarisation haben,
– eine Kopplung der zwei Ausgangsstrahlenbündel gleichzeitig in einem Einzelkoppler, der ein passives Phasenstabilitäts-Element ist, das die zwei Ausgangsstrahlenbündel zur Ausbreitung entlang der gleichen Richtung eines Interferometers führt, und nach der genannten Kopplung
– eine Manipulation der Polarisation eines jeden der zwei Ausgangsstrahlenbündels, um zwei polarisationsbeeinflusste Ausgangsstrahlenbündel zu bilden, jeweils aufweisend eine unterschiedliche Polarisation und jeweils sich ausbreitend entlang der gleichen Richtung des Interferometers, und
– eine Einstellung der Phase der zwei polarisationsbeeinflussten Ausgangsstrahlenbündel, um zumindest zwei phasenbeeinflusste Ausgangsstrahlenbündel zu bilden, wobei sich jedes entlang der gleichen Richtung des Interferometers ausbreitet, wobei eine Kombination der zwei phasenbeeinflussten Ausgangsstrahlenbündel das Vektorstrahlenbündel erzeugt.

Dabei einbezogen ist auch eine gerichtete Abbildung von Nanopartikeln mittels einer horizontal-, vertikal- und radial-polarisierten Beleuchtung. Z. B. soll die räumliche Ausdehnung eines 50 nm großen, einzelnen Gold-Nanopartikels in einem PVP-Polymer mittels eines invertierten Mikroskops bestimmt werden, um das Partikel bei jedem der drei Polarisationszustände abzubilden.
Die Ergebnis-Bilder (z. B. mit einer Beleuchtung im horizontal- und radial-polarisierten Zustand, aber keine im vertikal-polarisierten Zustand zeigend) geben die Ausrichtung des Nanopartikels in einem Kartesischen Koordinatensystem (keine Ausdehnung entlang der vertikalen Achse zeigend) wieder.
Ein Problem besteht darin, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Vektorstrahlenbündels nicht in der Lage ist, die Polarisation im Fokus in eine beliebige Richtung zu drehen. Dabei besitzen alle zugehörigen Vektoren die gleiche Länge und bei Fokussierung bleibt im Fokus der Vektor des elektrischen Feldes stets auf der Ausbreitungsachse und lässt sich nicht in eine beliebige Raumrichtung kippen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Polarisation einer Partikelbeleuchtung derart manipuliert wird, dass im Fokus eines Mikroskop-Objektivs durch Depolarisation ein elektromagnetisches Feld entsteht, dessen räumliche 3D-Orientierung direkt durch die zuvor vorgenommene Manipulation frei einstellbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 5 und 15 gelöst. In dem Verfahren zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln, wird gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
eine Manipulation der Polarisation einer Beleuchtung der Nanopartikel durchgeführt, indem im Fokus eines Mikroskop-Objektivs durch Depolarisation ein elektromagnetisches Feld hervorgerufen wird, dessen räumliche 3D-Orientierung direkt durch die zuvor vorgenommene Manipulation frei eingestellt wird, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:

– Teilung eines polarisierten Eingangs-Strahlenbündels,
– Erzeugung zumindest eines linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels und eines polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels,
– Modifikation des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels und/oder des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels bezüglich der Intensität und/oder Phase zu einem modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündel und/oder zu einem modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel,
– Modifikation des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels oder des modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels zu einem radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel,
– Vereinigung des modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels und des radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels zu einem vereinigten finalen Ausgangs-Strahlenbündel,
– Fokussierung des Ausgangs-Strahlenbündels mittels eines Mikroskop-Objektivs auf einen Fokus zur Beleuchtung eines Nanopartikels.

Die Teilung des Eingangs-Strahlenbündels kann in ein linear polarisiertes erstes Teilstrahlenbündel und ein linear polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel durchgeführt werden.
Dabei können folgende Schritte durchgeführt werden:

– Erzeugung eines linear polarisierten Eingangs-Strahlenbündels,
– Aufspaltung des linear polarisierten Eingangs-Strahlenbündels in das linear polarisierte erste Teilstrahlenbündel und in das linear polarisierte zweite Teilstrahlenbündel,
– Weiterführung des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels und Modifikation der Intensität und/oder der Phase des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels,
– Umwandlung des linear polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels in ein radial polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel,
– Vereinigung des modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels und des radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels und
– Fokussierung zu einem in alle Koordinatenrichtung polarisierten Ausgangs-Strahlenbündel mittels eines Mikroskop-Objektivs.

Dabei können folgende Schritte im Detail durchgeführt werden

1. ein linear polarisiertes Eingangs-Strahlenbündel wird mit einem Strahlteiler in zwei linear polarisierte Teilstrahlenbündel geteilt,
2. das eine linear polarisierte zweite Teilstrahlenbündel wird mit Hilfe einer segmentierten λ/2-Platte in ein radial polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel umgewandelt,
3. bei dem linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündel wird die Intensität und/oder die Phase modifiziert und damit ein modifiziertes linear polarisiertes erstes Teilstrahlenbündel erzeugt,
4. Vereinigung des linear polarisierten Teilstrahlenbündels und des radial polarisierten Teilstrahlenbündels zu einem Ausgangs-Strahlenbündel, wobei das erzeugte manipulierte Ausgangs-Strahlenbündel als die Summe der beiden Teilstrahlenbündel die vorgegebene Gesamt-Polarisation aufweist,
5. Erzeugung der vorgegebenen Orientierung des elektrischen Feldes E im Fokus, wodurch die resultierende Gesamt-Polarisation zu einer beliebig im Raum orientierten Fokus-Polarisation führt und
6. Fokussierung des in seiner Polarisation manipulierten Strahlenbündels durch ein Mikroskop-Objektiv auf ein Nanopartikel.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln nach dem vorgenannten Verfahren,
weist gemäß dem Patentanspruch 5 auf
ein Mittel zur Strahlteilung und ein Mittel zur Strahlvereinigung, wobei das Mittel zur Strahlteilung zwei Teilstrahlgänge erzeugt, die mittels des Mittels zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang vereint werden,
wobei ein Eingangs-Strahlengang mit einem polarisierten Strahlprofil vorgesehen ist, der zum Mittel zur Strahlteilung geführt ist, das der erste Teilstrahlengang und der zweite Teilstrahlengang verlassen, wobei zumindest einer der beiden Teilstrahlengänge ein linear polarisiertes Strahlprofil besitzt,
wobei im ersten Teilstrahlengang und/oder im zweiten Teilstrahlengang zwischen dem Mittel zur Strahlteilung und dem Mittel zur Strahlvereinigung sich ein Mittel zur Einstellung von Intensität und Phase befindet,
wobei sich im zweiten Teilstrahlengang zumindest ein Mittel zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils befindet,
wobei final die beiden Teilstrahlengänge durch des Mittels zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang mit dem linear polarisierten Strahlprofil und dem radial polarisierten Strahlprofil zur nachfolgenden fokussierenden Beleuchtung von Nanopartikeln mit dem vorgegebenen dreidimensionalen Strahlprofil ausgebildet vereint sind.
Der erste Teilstrahlengang oder der zweite Teilstrahlengang können wegen ihres korrespondierenden Verlaufs mit einem ersten Mittel zur Strahlumlenkung und mit einem zweiten Mittel zur Strahlumlenkung versehen sein, wobei die beiden Mittel zur Strahlumlenkung, die Mittel zur Einstellung von Intensität und Phase oder Mittel zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils einschließen sowie den ersten Teilstrahlengang oder den zweiten Teilstrahlengang vom Mittel zur Strahlteilung aus zum Mittel zur Strahlvereinigung gerichtet umlenken.
Das Mittel zur Strahlteilung kann einen Strahlteiler und das Mittel zur Strahlvereinigung kann einen Strahlteiler darstellen.
Das Mittel zur Einstellung von Intensität und Phase ist ein Filter und/oder ein Deckglas zur Phasenanpassung.
Das Mittel zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils kann eine segmentierte λ/2-Platte sein.
Die beiden Mittel zur Strahlumlenkung können zwei Spiegel sein, die spiegelsymmetrisch zur segmentierten λ/2-Platte angeordnet sind und den zweiten Teilstrahlengang vom ersten teilenden Strahlteiler zum vereinigenden zweiten Strahlteiler gerichtet umlenken.
Vor dem ersten Strahlteiler kann eine λ/2-Platte angeordnet sein.
Der erste Strahlteiler kann polarisationsempfindlich sein, sodass die relative Intensität in den beiden Teilstrahlenbündeln durch die Polarisationsrichtung des Eingangs-Strahlenbündels steuerbar ist, wobei das Drehen der optionalen λ/2-Scheibe in Verbindung mit dem polarisierenden Strahlteiler dazu führt, dass die Intensität stufenlos zwischen dem linear polarisiertem Teilstrahlenbündel und dem radial polarisierten Teilstrahlenbündel verteilbar ist.
Anstelle des Mittels zur Einstellung von Intensität und Phase und des Mittels zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils kann ein transmittiver Lichtmodulator mit einer Aufteilung in Teilgebiete vorgesehen sein, wobei das Mittel zur Einstellung von Intensität und Phase einem ersten Teilgebiet von Pixeln und das Mittel zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils einem zweiten Teilgebiet von Pixeln entsprechen.
Der transmittive Lichtmodulator kann an eine Steuer-/Recheneinheit angeschlossen sein, in der Funktionseinheiten vorhanden sind, die zumindest einerseits als Funktionseinheit zur Einstellung von Intensität und Phase der dem Teilgebiet zugeordneten Pixel im Bereich des Strahlengangs mit dem linear polarisierten Strahlprofil und andererseits als Funktionseinheit zur Einstellung des radial polarisierten Strahlprofils der dem Teilgebiet zugeordneten Pixel vorgesehen sind.
Eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln nach dem vorgenannten Verfahren,
weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 15
ein Mittel zur Strahlteilung und ein Mittel zur Strahlvereinigung auf,
wobei das Mittel zur Strahlteilung zwei Teilstrahlgänge erzeugt, die vom Mittel zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang vereint werden,
wobei ein Eingangs-Strahlengang mit einem linear polarisierten Strahlprofil vorgesehen ist, der zum Mittel zur Strahlteilung führt, aus dem sich der erste Teilstrahlengang und der zweite Teilstrahlengang ergeben,
wobei im ersten Teilstrahlengang zwischen dem Mittel zur Strahlteilung und dem Mittel zur Strahlvereinigung sich ein reflektives Mittel zur Einstellung von Intensität und Phase befindet,
wobei sich im zweiten Teilstrahlengang ein reflektives Mittel zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils befindet,
wobei final die beiden Teilstrahlengänge durch das Mittel zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang zur nachfolgenden fokussierenden Beleuchtung von Nanopartikeln mit dem vorgegebenen dreidimensionalen Strahlprofil vereint sind.
Die Erfindung kombiniert bekannte optische Mittel und Elemente – Phasenplatten, Lichtmodulator, Linsenoptik – und den bekannten optischen Effekt der Depolarisation, um die resultierende Fokus-Polarisation beliebig im Raum, insbesondere auf die zu untersuchenden Nanopartikel, orientieren zu können.
Gemäß dem Stand der Technik war bisher die Fokus-Polarisation nur in der xy-Partikelebene drehbar oder die Erzeugung eines Fokus nur mit einer z-Polarisation möglich.
Die Erfindung ändert diesen Zustand und beide Polarisationen – die lineare Polarisation und die radiale Polarisation – werden in einem Fokus vereinigt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass

– die absolute Orientierung des Fokus unter Verwendung herkömmlicher, kommerziell erhältlicher Bauteile voll erschließbar ist, wobei die Erfindung in dem aufgabengemäßen, neuen Zusammenbau und den dabei realisierten neuen Verfahrensschritten besteht,
– die preiswerte Strahlenbündelpräparation eine Handhabung erlaubt, wobei mit dem betätigenden Drehen an Filtern direkt die Orientierung eingestellt werden kann, wobei die Handhabung mit steuer-/rechentechnischen sowie programmtechnischen Mitteln erfolgen kann.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ersten Vor-Richtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln,
2 eine schematische Feldvektor(E)-Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 vom Eingangs-Strahlenbündel über die Polarisations-, Intensitäts- und Phaseneinstellung der Teilstrahlenbündel bis zur finalen Polarisation des Ausgangs-Strahlenbündels,
3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldvektors (E) mit dem linear polarisierten Strahlprofil mit fokussierendem Mikroskop-Objektiv und Fokus,
4 eine schematische Darstellung des elektrischen Feldvektors (E) mit dem radial polarisierten Strahlprofil sowie mit fokussierendem Mikroskop-Objektiv und Fokus,
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweiten Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln,
6 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise – Steuerung der Pixel in Bezug auf Transparenz und Phase sowie Polarisation – eines transmittiven Lichtmodulators innerhalb der erfindungsgemäßen zweiten Vorrichtung nach 2,
7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen dritten Vorrichtung zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln,
8 Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in den Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops innerhalb eines Stativs per Einschub und
9 Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in den Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops außerhalb eines Stativs per Einschub.
In 1 ist schematisch eine erste Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln dargestellt,
wobei die Vorrichtung 1 ein Mittel 3 zur Strahlteilung und ein Mittel 10 zur Strahlvereinigung aufweist,
wobei das Mittel 3 zur Strahlteilung zwei Teilstrahlgänge 4, 5 erzeugt, die mittels des Mittels 10 zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang 11 vereint werden,
wobei ein Eingangs-Strahlengang 2 mit einem linear polarisierten Strahlprofil vorgesehen ist, der zum Mittel 3 zur Strahlteilung geführt ist, das ein erster Teilstrahlengang 4 mit linear polarisiertem Strahlprofil 13 und ein zweiter Teilstrahlengang 5 mit linear polarisiertem Strahlprofil 13 verlassen,
wobei im ersten Teilstrahlengang 4 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 zwischen dem Mittel 3 zur Strahlteilung und dem Mittel 10 zur Strahlvereinigung sich ein Mittel 6 zur Einstellung von Intensität und Phase befindet,
wobei sich im zweiten Teilstrahlengang 5 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 ein Mittel 7 zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils befindet, zu der der zweite Teilstrahlengang 5 wegen seines parallelen Verlaufs zum Teilstrahlengang 4 mit einem ersten Mittel 8 zur Strahlumlenkung und mit einem zweiten Mittel 9 zur Strahlumlenkung im Teilstrahlengang 5 versehen ist, wobei die Mittel 8 und 9 zur Stahlumlenkung spiegelsymmetrisch zum Mittel 6 oder Mittel 7 zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils angeordnet sind und den Teilstrahlengang 5 vom Mittel 3 zur Strahlteilung aus zum Mittel 10 zur Stahlvereinigung gerichtet umlenken,
wobei final die beiden Teilstrahlengänge 4 und 5 mittels des Mittels 10 zur Strahlvereinigung zu dem finalen Strahlengang 11 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 und dem radial polarisierten Strahlprofil 14 zur nachfolgenden fokussierenden Beleuchtung von Nanopartikeln mit dem erreichten, vorgegebenen dreidimensionalen Strahlprofil 15 ausgebildet vereint sind.
In 1 stellt das Mittel 3 zur Strahlteilung einen Strahlteiler und das Mittel 10 zur Strahlvereinigung ebenfalls einen Strahlteiler, aber mit umgekehrter Wirkungsweise, dar.
Das Mittel 6 zur Einstellung von Intensität und Phase kann ein Filter 65 und/oder ein Deckglas 66 sein.
Das Mittel 7 zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils 14 kann eine segmentierte λ/2-Platte 7 sein.
Die Mittel 8 und 9 zur Strahlumlenkung können zwei Spiegel sein, die spiegelsymmetrisch zur segmentierten λ/2-Platte 7 angeordnet sind und den Teilstrahlengang 5 vom ersten teilenden Strahlteiler 3 zum zweiten vereinigenden Strahlteiler 10 gerichtet umlenken.
Vor dem ersten Strahlteiler 3 kann eine λ/2-Platte 12 angeordnet sein.
Den jeweiligen Strahlengängen 2, 4, 5, 11 sind jeweils ein Strahlenbündel zugeordnet.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung 1 gemäß 1 näher erläutert:
Das definiert vorliegende Eingangs-Strahlenbündel 21 mit einem linear polarisierten Strahlprofil 13 des Eingangs-Strahlengangs 2 wird zunächst in dem Strahlteiler 3 geteilt. Das erste Teilstrahlenbündel 41 des ersten Teilstrahlengangs 4 wird in Bezug auf Intensität und Phase mit dem Filter 65 und/oder Deckglas 66 angepasst bzw. modifiziert, wodurch ein modifiziertes erstes Teilstrahlenbündel 42, aber mit dem gleichen linear polarisierten Strahlprofil 13 entsteht. Das zweite Teilstrahlenbündel 51 des zweiten Teilstrahlengangs 5 mit einem linear polarisierten Strahlprofil 13 des Teilstrahlengangs 5 durchläuft eine segmentierte λ/2-Platte 7, welche aus dem linear polarisierten Strahlprofil 13 ein radial polarisiertes Strahlprofil 14 eines modifizierten zweiten Teilstrahlenbündels 52 realisiert.
Die Segmentierung innerhalb der λ/2-Platte 7 kann zumindest vier Zonen in gleicher Ebene oder in verschiedenen Ebenen versetzt betreffen, in denen jeweils eine zueinander unterschiedliche Polarisationsausrichtung vorliegt, die das einfallende zweite Teilstrahlenbündel 51 entsprechend polarisiert.
Das modifizierte erste Teilstrahlenbündel 42 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 und das modifizierte zweite Teilstrahlenbündel 52 mit dem radial polarisierten Strahlprofil 14 werden in dem zweiten Strahlteiler 10 zu einem finalen Strahlenbündel 111 vereint, um das einstellbare und vorgesehene depolarisierte vereinigte Strahlprofil 15 im Fokus 69 in der Fokusebene 68, wie in den 3, 4 gezeigt, zu bilden.
In 2 ist eine Feldvektor(E)-Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nach 1 vom Eingangs-Strahlenbündel 21 über die Polarisations-Phasen-/Intensitätseinstellung der Teilstrahlenbündel 41, 51 bis zur finalen Polarisation des Ausgangs-Strahlenbündels 111 gezeigt. Dabei werden ausgehend vom linear polarisierten elektrischen Feldvektor E₂₁ nach dessen vorerst geteilten und danach parallelem Durchlauf durch verschiedene optische Mittel der linear polarisierte elektrische Feldvektor E₄₂ und der radial polarisierte elektrische Feldvektor E₅₃ erzeugt, die dann zu einem räumlich polarisierten elektrischen Feldvektor mit dem elektrischen Feldvektor E₄₂ zusammengeführt werden.
Dabei führt der Teilstrahlengang 4 nach dem Strahlteiler 3 über das Filter 65 zur Intensitätseinstellung und das Deckglas 66 zur Phasenanpassung zum Strahlteiler 10. Als Ergebnis entsteht ein modifiziertes linear polarisiertes Teilstrahlenbündel 42 mit dem elektrischen Feldvektor E₄₂. Der Teilstrahlengang 5 führt nach dem Strahlteiler 3 über den ersten Spiegel 8 durch die segmentierte λ/2-Platte 7 über den zweiten Spiegel 9 zum zweiten Strahlteiler 9. Als Ergebnis entsteht das radial polarisierte Teilstrahlenbündel 53. Das Teilstrahlenbündel 42 mit dem elektrischen Feldvektor E₄₂ und das Teilstrahlenbündel 53 mit dem elektrischen Feldvektor E₅₃ werden im Strahlteiler 10 zum Ausgangs-Strahlenbündel 111 mit dem elektrischen Feldvektor E₁₁₁ zusammengeführt.
In den zweiten Teilstrahlengang 5 kann sich auch ein Mittel 71 zur Intensitäts- und/oder Phasenanpassung befinden, so dass das modifizierte radial polarisierte Teilstrahlenbündel 53 neben einer Polaritätsänderung auch eine Intensitäts- und/oder Phasenanpassung erhalten kann.
In 3 ist eine schematische Darstellung des elektrischen Feldvektors E₄₂ des Teilstrahlenbündels 42 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 mit fokussierendem Mikroskop-Objektiv 67 und dem Fokus 69 gezeigt.
In 4 ist eine schematische Darstellung des elektrischen Feldvektors E₅₃ des Teilstrahlenbündels 53 mit dem radial polarisierten Strahlprofil 14 mit fokussierendem Mikroskop-Objektiv 67 und Fokus 68 gezeigt.
In einem weiteren Schritt in Bezug auf die Strahlteilung kann der erste Strahlteiler 3 polarisationsempfindlich sein, sodass die relative Intensität in den beiden Teilstrahlenstrahlenbündeln 41 und 51 durch die Polarisationsrichtung 13 des Eingangs-Strahlenbündels 21 gesteuert werden kann: so führt beispielsweise das Drehen der optionalen λ/2-Scheibe 12 in Verbindung mit dem polarisierenden Strahlteiler 3 dazu, dass die Intensität stufenlos zwischen dem linear polarisiertem Teilstrahlenbündel 41, 42 und dem radial polarisierten Teilstrahlstrahlenbündel 53 verteilt werden kann.
In 5 ist schematisch eine zweite Vorrichtung 30 zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln dargestellt,
wobei die zweite Vorrichtung 30 der ersten Vorrichtung 1 vom Einsatz der optischen Mittel weitgehend ähnelt und anstelle des Mittels 6 zur Einstellung von Intensität und Phase und des Mittels 7 zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils ein transmittiver Lichtmodulator 20 mit einer Aufteilung in zwei Teilgebiete vorgesehen ist, wobei das Mittel 6 zur Einstellung von Intensität und Phase einem ersten Teilgebiet von Pixeln 24 und das Mittel 7 zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils 14 einem zum ersten abgegrenzten zweiten Teilgebiet von Pixeln 25 entsprechen.
Der transmittive Lichtmodulator 20 ist an eine Steuer-/Recheneinheit 31 angeschlossen, in der zumindest Funktionseinheiten 26, 27 vorhanden sind, die zumindest einerseits zur Einstellung von Intensität und Phase der dem Teilgebiet 6 zugeordneten Pixel 24 im Bereich des Strahlengangs 4 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 und andererseits zur Einstellung des radial polarisierten Strahlprofils 14 der dem Teilgebiet 7 zugeordneten Pixel 25 vorgesehen sind.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der zweiten Vorrichtung 30 gemäß 5 näher erläutert:
Das definiert vorliegende Eingangs-Strahlenbündel 21 mit einem linear polarisierten Strahlprofil 13 wird zunächst in dem ersten Strahlteiler 3 geteilt. Das erste Teilstrahlenbündel 41 des ersten Strahlengangs 4 wird bezüglich Intensität und Phase im Teilgebiet 6 des transmittiven Lichtmodulators 20 angepasst, wodurch ein modifiziertes erstes Teilstrahlenbündel 42 gleichen Strahlprofils 13 entsteht. Das zweite Teilstrahlenbündel 51 des zweiten Teilstrahlengangs 5 mit einem linear polarisierten Strahlprofil 13 durchläuft das Teilgebiet 7 des transmittiven Lichtmodulators 20, wobei nach Durchgang durch das Teilgebiet 7 aus dem linear polarisierten Strahlprofil 13 ein radial polarisiertes Strahlprofil 14 im modifizierten zweiten Teilstrahlenbündel 53 realisiert wird.
Das Teilstrahlenbündel 42 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 und das Teilstrahlenbündel 53 mit dem radial polarisierten Strahlprofil 14 werden in dem strahlbündelvereinigenden zweiten Strahlteiler 10 zum finalen Ausgangs-Strahlenbündel 111 vereint, um das gewünschte Strahlprofil 15 im Fokus 69 in den 3 und 4 zu erreichen.
Die Wirkungsweise des transmittiven Lichtmodulators 20 mit dem Teilgebiet 7 ist in 6 dargestellt, wobei sich die schematische Darstellung auf die 2 bezieht. Das zweite Teilstrahlenbündel 51 mit dem linear polarisierten Strahlprofil 13 durchläuft das mit Pixeln 25 versehene Teilgebiet 7. Dabei werden die Pixel 25 derart über die Steuereinheit 31 elektronisch angesteuert, dass danach ein modifiziertes zweites Teilstrahlenbündel 53 mit radial polarisiertem Strahlprofil 14 erhalten wird.
In 7 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen dritten Vorrichtung 40 zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln gezeigt,
wobei die Vorrichtung 40 ein Mittel 3 zur Strahlteilung und ein Mittel 10 zur Strahlvereinigung aufweist,
wobei das Mittel 3 zur Strahlteilung zwei Teilstrahlgänge 4, 5 erzeugt, die vom Mittel 10 zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang 11 vereint werden,
wobei ein einfallender Strahlengang 2 mit einem linear polarisierten Strahlprofil 13 vorgesehen ist, der zum Mittel 3 zur Strahlteilung geführt ist, aus dem sich der erste Teilstrahlengang 4 und der zweite Teilstrahlengang 5 ergeben,
wobei im ersten Teilstrahlengang 4 zwischen dem Mittel 3 zur Strahlteilung und dem Mittel 10 zur Strahlvereinigung sich ein reflektives Mittel 6 zur Einstellung von Intensität und Phase befindet,
wobei sich im zweiten Teilstrahlengang 5 ein reflektives Mittel 7 zur Einstellung eines zirkular polarisierten Strahlprofils 14 befindet, zu dem der zweite Teilstrahlengang 5 wegen seines parallelen Verlaufs zum Teilstrahlengang 4 mit einem zweiten Mittel 9 zur Strahlumlenkung im Teilstrahlengang 5 versehen ist, wobei die Mittel 6, 7 einerseits sowie 9 andererseits zur Strahlumlenkung rechtwinklig zueinander angeordnet sind und den Teilstrahlengang 5 und den Teilstrahlengang 4 vom Mittel 3 zur Strahlteilung aus zum Mittel 10 zur Strahlvereinigung gerichtet umlenken,
wobei final die beiden Teilstrahlengänge 4 und 5 durch das Mittel 10 zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang 11 zur nachfolgenden fokussierenden Beleuchtung von Nanopartikeln mit dem vorgegebenen dreidimensionalen Strahlprofil 15 vereint sind.
Die transmittiven und reflektiven Lichtmodulatoren 20, 28 unterscheiden sich in ihrer Betriebsweise bezüglich der Pixelsteuerung nicht.
In 7 stellt das Mittel 3 zur Strahlteilung eine doppelverspiegelte Glasplatte und das Mittel 10 zur Strahlvereinigung ebenfalls eine doppelverspiegelte Glasplatte, aber mit umgekehrter Wirkungsweise, dar.
Die reflektiven Mittel 6 und 7 sind Teilgebiete mit den jeweils zugeordneten Pixeln 24, 25 eines reflektiven Lichtmodultors 28.
Dadurch, dass die Mittel 6 und 7 reflektiv sind, kann das Mittel 9 zur Strahlumlenkung ein Spiegel sein, so dass die Teilgebiete 6, 7 einerseits und der Spiegl 9 andererseits die Teilstrahlengänge 4, 5 vom ersten teilenden Strahlteiler 3 zum zweiten vereinigenden Strahlteiler 10 gerichtet umlenken können.
Vor dem reflektiven Lichtmodulator 28 und nach dem zweiten Spiegel 9 kann jeweils eine λ/4-Platte 16, 17 angeordnet sein. Die beiden λ/4-Platten 16, 17 stehen steuertechnisch mit den Teilgebieten 6,7 des reflektiven Lichtmodulators 28 derart in Verbindung, so dass nach der λ/4-Platte 17 ein radial polarisiertes Strahlprofil 14 erreichbar ist.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung 40 gemäß 7 näher erläutert:
Das Eingangs-Strahlenbündel 21 mit bekannter Polarisation und Intensitätsverteilung – einem linear polarisierten Strahlprofil 13 – wird zunächst aufgespaltet in zwei Teilstrahlenbündel 41 und 51 mit identischem Polarisationsprofil – einem linear polarisierten Strahlprofil 13-. Sodann fallen diese Teilstrahlenbündel 41, 51 auf verschiedene funktionale Teilgebiete 6, 7 des reflektiven Lichtmodulators 28, wobei das Teilstrahlenbündel 51 zuvor per erster λ/4-Platte 16 zum Teilstrahlenbündel 52 mit einem zirkular polarisierten Strahlprofil versehen wird. Die vom Lichtmodulator 28 reflektierten Teilstrahlenbündel 4 werden in ihrer Phase definiert verändert. Für das zirkular polarisierte Teilstrahlenbündel 52 bedeutet dies, dass nach erneutem Durchlaufen einer zweiten λ/4-Platte 17 die Polarisationsrichtung über den Strahlquerschnitt/Strahlprofil zu einem radial polarisierten Strahlprofil 14 geändert werden kann.
Insbesondere erlaubt die Ansteuerung durch den Computer die Erstellung eines sogenannten radial polarisierten Strahlquerschnitts 14 nach Durchgang durch die zweite λ/4-Platte 17. Die zwei Teilstrahlenbündel 42 und 53 werden wieder vereinigt und stellen zusammen das gewünschte Intensitäts- und Polarisationsprofil dar.
Ohne die beiden λ/4-Platten 16 und 17 kann über das Teilgebiet 7 des reflektiven Lichtmodulators 28 sofort ein radial polarisiertes Strahlprofil 14 erreicht werden.
Eine Verwendung eines Lichtmodulators 20, 28 erlaubt die sehr rasche Änderung der Polarisation, wodurch das computerbasierte System quasi trägheitsfrei ist und nur durch die Fluid-Eigenschaften des verwendeten Flüssigkristalls in seiner Geschwindigkeit begrenzt wird. Heutige Geräte ermöglichen Änderungsraten im kHz-Bereich. Zudem ermöglicht die vorhandene Software-Schnittstelle eine weitreichende Automatisierung bspw. durch adaptive oder genetische Algorithmen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln,
wird eine Manipulation der Polarisation einer Beleuchtung 61 der Nanopartikel durchgeführt, indem im Fokus 69 eines Mikroskop-Objektivs 60 durch Depolarisation ein elektromagnetisches Feld hervorgerufen wird, dessen räumliche 3D-Orientierung direkt durch die zuvor vorgenommene Manipulation frei eingestellt wird,
wobei folgende Schritte durchgeführt werden:

– Teilung eines polarisierten Eingangs-Strahlenbündels 21,
– Erzeugung zumindest eines linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels 41 und eines polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 51,
– Modifikation des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels 41 und/oder des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 51 bezüglich der Intensität und/oder Phase zu einem modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündel 42 und/oder zu einem modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel 52,
– Modifikation des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 51 oder des modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 52 zu einem radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel 53,
– Vereinigung des modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels 42 und des radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 53 zu einem vereinigten finalen Ausgangs-Strahlenbündel 111,
– Fokussierung des Ausgangs-Strahlenbündels 111 mittels eines Mikroskop-Objektivs 67 auf einen Fokus 69 zur Beleuchtung eines Nanopartikels.

Die Teilung des Eingangs-Strahlenbündels 21 kann in ein linear polarisiertes erstes Teilstrahlenbündel 41 und ein linear polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel 51 durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens können folgende Schritte durchgeführt werden:

– Erzeugung eines linear polarisierten Eingangs-Strahlenbündels 21,
– Aufspaltung des linear polarisierten Eingangs-Strahlenbündels 21 in das linear polarisierte erste Teilstrahlenbündel 41 und in das linear polarisierte zweite Teilstrahlenbündel 51,
– Weiterführung des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels 41 und Modifikation der Intensität und/oder der Phase des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels 41,
– Umwandlung des linear polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 51 in ein radial polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel 53,
– Vereinigung des modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels 42 und des radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels 53 und
– Fokussierung zu einem in alle Koordinatenrichtung polarisierten Ausgangs-Strahlenbündel 111 mittels des Mikroskop-Objektivs 67.

Zur Fokussierung auf Nanopartikel werden Vorrichtung 1, 30, 40 in den Beleuchtungspfad 61 eines handelsüblichen Mikroskops 60 zur Analyse von Nanostrukturen eingebracht. Je nach verwendeter Lichtquelle und damit einhergehender Baugröße kann dies innerhalb des Stativs 64 erfolgen, wie z. B. per Einschub 62 in 8, oder auch auf einer Position 63 außerhalb des Stativs 64 per diskreter Optik-Komponenten, wie in 9 gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

1: erste Vorrichtung
2: Eingangs-Strahlengang
3: Mittel zur Strahlteilung
4: erster Teilstrahlengang
41: erstes Teilstrahlenbündel
42: modifiziertes erstes Teilstrahlenbündel
5: zweiter Teilstrahlengang
51: zweites Teilstrahlenbündel
52: modifiziertes zweites Teilstrahlenbündel
53: radial polarisiertes Teilstrahlenbündel
6: Mittel zur Einstellung von Intensität und Phase
65: Filter zur Intensitätseinstellung
66: Deckglas zur Phasenanpasssung
7: Mittel zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils
8: erstes Mittel zur Strahlumlenkung
9: zweites Mittel zur Strahlumlenkung
10: Mittel zur Strahlvereinigung
11: finaler Strahlengang
111: Ausgangs-Strahlenbündel
12: λ/2-Platte
13: linear polarisiertes Strahlprofil
14: radial polarisiertes Strahlprofil
15: finales Strahlprofil
16: erste λ/4-Platte
17: zweite λ/4-Platte
20: transmittiver Lichtmodulator
24: Pixel
25: Pixel
26: Funktionseinheit zur Einstellung von Intensität und Phase
27: Funktionseinheit zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils
28: reflektiver Lichtmodulator
30: zweite Vorrichtung
31: Steuereinheit
40: dritte Vorrichtung
60: Mikroskop
61: Beleuchtungspfad
62: Einschub
63: Position außerhalb eines Stativs
64: Stativ
67: Mikroskop-Objektiv
68: Fokusebene
69: Fokus
71: Mittel zur Intensitäts- und/oder Phasenanpassung

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass eine Manipulation der Polarisation einer Beleuchtung (61) der Nanopartikel durchgeführt wird, indem im Fokus (69) eines Mikroskop-Objektivs (67) durch Depolarisation ein elektromagnetisches Feld hervorgerufen wird, dessen räumliche 3D-Orientierung direkt durch die zuvor vorgenommene Manipulation frei eingestellt wird, wobei folgende Schritte durchgeführt werden: – Teilung eines polarisierten Eingangs-Strahlenbündels (21), – Erzeugung zumindest eines linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (41) und eines polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51), – Modifikation des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (41) und/oder des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51) bezüglich der Intensität und/oder Phase zu einem modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündel (42) und/oder zu einem modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel (52), – Modifikation des polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51) oder des modifizierten polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (52) zu einem radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündel (53), – Vereinigung des modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (42) und des radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (53) zu einem vereinigten finalen Ausgangs-Strahlenbündel (111), – Fokussierung des Ausgangs-Strahlenbündels (111) mittels eines Mikroskop-Objektivs (67) auf einen Fokus (69) zur Beleuchtung eines Nanopartikels.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung des Eingangs-Strahlenbündels (21) in ein linear polarisiertes erstes Teilstrahlenbündel (41) und ein linear polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel (51) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden: – Erzeugung eines linear polarisierten Eingangs-Strahlenbündels (21), – Aufspaltung des linear polarisierten Eingangs-Strahlenbündels (21) in das linear polarisierte erste Teilstrahlenbündel (41) und in das linear polarisiert zweite Teilstrahlenbündel (51), – Weiterführung des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (41) und Modifikation der Intensität und/oder der Phase des linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (41), – Umwandlung des linear polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (51) in ein radial polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel (53), – Vereinigung des modifizierten linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündels (42) und des radial polarisierten zweiten Teilstrahlenbündels (53) und – Fokussierung zu einem in alle Koordinatenrichtung polarisierten Ausgangs-Strahlenbündel (111) mittels des Mikroskop-Objektivs (67).
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dabei folgende Schritte im Detail durchgeführt werden a. ein linear polarisiertes Eingangs-Strahlenbündel (21) wird mit einem Strahlteiler (3) in zwei linear polarisierte Teilstrahlenbündel (41, 51) geteilt, b. das eine linear polarisierte zweite Teilstrahlenbündel (51) wird mit Hilfe einer segmentierten λ/2-Platte in ein radial polarisiertes zweites Teilstrahlenbündel (53) umgewandelt, c. bei dem linear polarisierten ersten Teilstrahlenbündel (41) wird die Intensität und/oder die Phase modifiziert und damit ein modifiziertes linear polarisiertes erstes Teilstrahlenbündel (42) erzeugt, d. Vereinigung des linear polarisierten Teilstrahlenbündels (42) und des radial polarisierten Teilstrahlenbündels (53) zu einem Ausgangs-Strahlenbündel (111), wobei das erzeugte manipulierte Ausgangs-Strahlenbündel (111) als die Summe der beiden Teilstrahlenbündel (42, 53) die vorgegebene Gesamt-Polarisation aufweist, e. Erzeugung der vorgegebenen Orientierung des elektrischen Feldes (E) im Fokus (69), wodurch die resultierende Gesamt-Polarisation zu einer beliebig im Raum orientierten Fokus-Polarisation führt und f. Fokussierung des in seiner Polarisation manipulierten Strahlenbündels (111) durch ein Mikroskop-Objektiv (67) auf ein Nanopartikel.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend ein Mittel (3) zur Strahlteilung und ein Mittel (10) zur Strahlvereinigung, wobei das Mittel (3) zur Strahlteilung zwei Teilstrahlgänge (4, 5) erzeugt, die mittels des Mittels (10) zur Strahlvereinigung zu einem finalen Ausgangs-Strahlengang (11) vereint werden, wobei ein Eingangs-Strahlengang (2) mit einem polarisierten Strahlprofil vorgesehen ist, der zum Mittel (3) zur Strahlteilung geführt ist, das der erste Teilstrahlengang (4) und der zweite Teilstrahlengang (5) verlassen, wobei zumindest einer der beiden Teilstrahlengänge (4; 5) ein linear polarisiertes Strahlprofil besitzt, wobei im ersten Teilstrahlengang (4) und/oder im zweiten Teilstrahlengang (5) zwischen dem Mittel (3) zur Strahlteilung und dem Mittel (10) zur Strahlvereinigung sich ein Mittel (6) zur Einstellung von Intensität und Phase befindet, wobei sich im zweiten Teilstrahlengang (5) zumindest ein Mittel (7) zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils (14) befindet, wobei final die beiden Teilstrahlengänge (4, 5) durch des Mittels (10) zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang (11) mit dem linear polarisierten Strahlprofil (13) und dem radial polarisierten Strahlprofil (14) zur nachfolgenden fokussierenden Beleuchtung von Nanopartikeln mit dem vorgegebenen dreidimensionalen Strahlprofil (15) ausgebildet vereint sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrahlengang (4) oder der zweite Teilstrahlengang (5) wegen ihres korrespondierenden Verlaufs mit einem ersten Mittel (8) zur Strahlumlenkung und mit einem zweiten Mittel (9) zur Strahlumlenkung versehen ist, wobei die Mittel (8, 9) zur Strahlumlenkung die Mittel (6) zur Einstellung von Intensität und Phase oder Mittel (7) zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils einschließen sowie den ersten Teilstrahlengang (4) oder den zweiten Teilstrahlengang (5) vom Mittel (3) zur Strahlteilung aus zum Mittel (10) zur Strahlvereinigung gerichtet umlenken.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (3) zur Strahlteilung einen Strahlteiler und das Mittel (10) zur Strahlvereinigung ebenfalls einen Strahlteiler darstellen.
Vorrichtung nach Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (6) zur Einstellung von Intensität und Phase ein Filter (65) und/oder ein Deckglas (66) zur Phasenanpassung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils (14) eine segmentierte λ/2-Platte (7) ist, wobei die Segmentierung zumindest vier Zonen in gleicher Ebene oder in verschiedenen Ebenen versetzt betrifft, in denen jeweils eine zueinander unterschiedliche Polarisationsausrichtung vorliegt, die das einfallende Teilstrahlenbündel entsprechend polarisiert.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8, 9) zur Strahlumlenkung zwei Spiegel sind, die spiegelsymmetrisch zur segmentierten λ/2-Platte (7) angeordnet sind und den zweiten Teilstrahlengang (5) vom ersten teilenden Strahlteiler (3) zum zweiten vereinigenden Strahlteiler (10) gerichtet umlenken.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Strahlteiler (3) eine λ/2-Platte (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlteiler (3) polarisationsempfindlich ist, sodass die relative Intensität in den beiden Teilstrahlenbündeln (41, 51) durch die Polarisationsrichtung (13) des Eingangs-Strahlenbündels (21) steuerbar ist, wobei das Drehen der optionalen λ/2-Scheibe (12) in Verbindung mit dem polarisierenden Strahlteiler (3) dazu führt, dass die Intensität stufenlos zwischen dem linear polarisiertem Teilstrahlenbündel (41, 42) und dem radial polarisierten Teilstrahlenbündel (53) verteilbar ist.
Vorrichtung (30) nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Mittels (6) zur Einstellung von Intensität und Phase und des Mittels (7) zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils ein transmittiver Lichtmodulator (20) mit einer Gebietaufteilung in Teilgebiete vorgesehen ist, wobei das Mittel (6) zur Einstellung von Intensität und Phase einem ersten Teilgebiet von Pixeln (24) und das Mittel (7) zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils (14) einem zweiten Teilgebiet von Pixeln (25) entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der transmittive Lichtmodulator (20) an eine Steuer-/Recheneinheit (31) angeschlossen ist, in der Funktionseinheiten (26, 27) vorhanden sind, die zumindest einerseits als Funktionseinheit (26) zur Einstellung von Intensität und Phase der dem Teilgebiet (6) zugeordneten Pixel (24) im Bereich des Strahlengangs (4) mit dem linear polarisierten Strahlprofil (13) und andererseits als Funktionseinheit (27) zur Einstellung des radial polarisierten Strahlprofils (14) der dem Teilgebiet (7) zugeordneten Pixel (25) vorgesehen sind.
Vorrichtung (40) zur Erzeugung von Fokussen mit dreidimensional beliebig orientiertem elektromagnetischem Feld für die Mikroskopie von Nanopartikeln nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (3) zur Strahlteilung und ein Mittel (10) zur Strahlvereinigung vorhanden sind, wobei das Mittel (3) zur Strahlteilung zwei Teilstrahlgänge (4, 5) erzeugt, die vom Mittel (10) zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang (11) vereint werden, wobei ein Eingangs-Strahlengang (2) mit einem linear polarisierten Strahlprofil (13) vorgesehen ist, der zum Mittel (3) zur Strahlteilung führt, aus dem sich der erste Teilstrahlengang (4) und der zweite Teilstrahlengang (5) ergeben, wobei im ersten Teilstrahlengang (4) zwischen dem Mittel (3) zur Strahlteilung und dem Mittel (10) zur Strahlvereinigung sich ein reflektives Mittel (6) zur Einstellung von Intensität und Phase befindet, wobei sich im zweiten Teilstrahlengang (5) ein reflektives Mittel (7) zur Einstellung eines radial polarisierten Strahlprofils (14) befindet, wobei final die beiden Teilstrahlengänge (4, 5) durch das Mittel (10) zur Strahlvereinigung zu einem finalen Strahlengang (11) zur nachfolgenden fokussierenden Beleuchtung von Nanopartikeln mit dem vorgegebenen dreidimensionalen Strahlprofil (15) vereint sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrahlengang (5) wegen seines korrespondierenden Verlaufs zum Teilstrahlengang (4) mit einem zweiten Mittel (9) zur Strahlumlenkung im Teilstrahlengang (5) versehen ist, wobei die reflektiven Mittel (6, 7) einerseits sowie das Mittel (9) andererseits zur Stahlumlenkung rechtwinklig zueinander angeordnet sind und den Teilstrahlengang (5) und den Teilstrahlengang (4) vom Mittel (3) zur Strahlteilung aus zum Mittel (10) zur Stahlvereinigung gerichtet umlenken.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (3) zur Strahlteilung eine doppelverspiegelte Glasplatte und das Mittel (10) zur Strahlvereinigung ebenfalls eine doppelverspiegelte Glasplatte darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Mittel (6, 7) Teilgebiete mit den jeweils zugeordneten Pixeln (24, 25) eines reflektiven Lichtmodulators (28) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Strahlumlenkung ein Spiegel ist, so dass die reflektiven Teilgebiete (6, 7) des reflektiven Lichtmodulators (28) und der Spiegel (9) derart angeordnet sind, dass sie die Teilstrahlengänge (4, 5) vom ersten teilenden Strahlteiler (3) aus zum zweiten vereinigenden Strahlteiler (10) gerichtet umlenken.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem reflektiven Lichtmodulator (28) und nach dem Spiegel (9) wahlweise jeweils eine λ/4-Platte (16, 17) angeordnet ist, wobei die beiden λ/4-Platten (16, 17) steuertechnisch mit den Teilgebieten (6, 7) des reflektiven Lichtmodulators (28) derart in Verbindung stehen, so dass nach der λ/4-Platte (17) ein radial polarisiertes Strahlprofil (14) erreichbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektive Lichtmodulator (28) an eine Steuer-/Recheneinheit (31) angeschlossen ist, in der Funktionseinheiten (26, 27) vorhanden sind, die zumindest einerseits als Funktionseinheit (26) zur Einstellung von Intensität und Phase der dem Teilgebiet (6) zugeordneten Pixel (24) im Bereich des Strahlengangs (4) mit dem linear polarisierten Strahlprofil (13) und andererseits als Funktionseinheit (27) zur Einstellung des radial polarisierten Strahlprofils (14) der dem Teilgebiet (7) zugeordneten Pixel (25) vorgesehen sind.