DE3831880A1 - Verfahren zur untersuchung ultraschneller vorgaenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge mit hoher räumlicher und zeit­ licher Auflösung in mikroskopischen Objekten 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.

Es sind sowohl räumlich als auch zeitlich hochauflösende optische Untersuchungsverfahren (H. Craener, H. R. Felle; Helv. phys. acta 56 [1-3], 393) sowie deren Kombination (M. A. J. Rodgers, Pot. Engin. 22, H 5 [1983] 521) bekannt. Bei den bekannten optischen Verfahren zur Kombination von räumlicher und zeitlicher Auflösung wird eine mikroskopische Probe mit einem kurzen Lichtimpuls angeregt und die entstehen­ de 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 Ultrakurzzeit­ spektroskopie erreichbaren (gegenwärtig ca. 10 Femto­ sekunden) liegt. Bei dem genannten Verfahren erweist sich insbesondere die Beschränkung auf fluoreszierende Sub­ stanzen als wesentliche Einschränkung der Art der unter­ suchbaren Objekte.

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

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 elektro­ nische 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 Objekten mit einem Laser-Raster-Mikroskop erfindungsgemäß dadurch, daß bezüglich des Objektes mindestens zwei Laserstrahlen ultra­ kurzer Impulse, von denen mindestens ein erster als Anre­ gungsimpuls und mindestens ein zweiter, der sich in mindestens einen der Parameter Wellenlänge, Modulation, Polarisationsrichtung und/oder Einfallsrichtung von dem ersten unterscheidet, als Testimpuls vorgesehen sind, die räumlich unabhängig voneinander und in beliebiger zeitlicher Abfolge auf das Objekt gebracht werden können. Die erfindungsgemäße Lösung gelingt vorteilhaft dadurch, daß in einem geeigneten Mikroskop mindestens zwei Laser­ strahlen ultrakurzer Impulse unabhängig voneinander räumlich auf das Objekt positionierbar sind, von denen mindestens einer als Anregungsimpuls und mindestens einer als Testimpuls dient. Der zeitliche Abstand des Auf­ treffens der ultrakurzen Lichtimpulse auf das Objekt ist beliebig einstellbar.

Als Meßgröße dient die Veränderung (der Intensität, Energie, Polarisation und/oder Wellenlänge) die trans­ mittierten, reflektierten, gestreuten und/oder gebeugten Testimpulses durch das angeregte Objekt.

Durch die unabhängige räumliche Positionierbarkeit der Strahlen ultrakurzer Impulse erhält man eine raum-zeit­ liche Auflösung. Im Gegensatz zum bekannten zeitlich auf­ lösenden Laserfluoreszenzmikroskop (Einstrahlverfahren), können mit erfindungsgemäßen Verfahren auch Laufzeit­ effekte von Anregungszuständen und räumliche Ausbreitungs­ phänomene (z. B. Diffusion) raum-zeitlich verfolgt werden. Der die Beeinflussung des Testimpulses hervorrufende physikalische Wechselwirkungsmechanismus in dem Objekt kann dabei spezifisch hinsichtlich des zu untersuchenden Objektes gewählt werden.

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

Das Wesen der Erfindung soll an einem Ausführungs­ beispiel, das der Untersuchung einer raum-zeitlichen Ausbreitung von Erregungszuständen in Nervengeweben dient, erläutert werden. Dabei wird mit einem Laser­ strahl ein physiologisches Erregungszentrum optisch angeregt.

Diese Anregung hat eine Veränderung der optischen Eigen­ schaften des angeregten Gewebes zur Folge. Die Veränderung der optischen Eigenschaften des Nervengewebes läßt sich mit optischen Methoden nachweisen, z. B. durch die Messung des Reflexionsvermögens oder der Absorption. Die physiologisch bedingte Fortleitung der Erregung kann folg­ lich ebenfalls mit optischen Methoden nachgewiesen werden. Bei einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Anordnung wird dazu durch den Anregungsimpuls 1 nach Durchgang durch das Scanning-System 3 und das Mikroskop­ objektiv 4 das Objekt 5 angeregt und die Intensität des duch den Modulator 11 modulierten Testimpulses 2 in Abhängigkeit von einer durch die Zeitverzögerungsein­ heit 6 bewirkten Zeitverzögerung, dem Ort auf dem Objekt 5 und dem räumlichen Abstand 8 zwischen dem An­ regungsimpuls 1 und dem amplitudenmodulierten Testimpuls 2 auf dem Objekt 5 mit einem frequenzselektiven Detektor 9 gemessen und positionsabhängig in einem Bildspeicher 10 gespeichert.

Der räumliche Abstand 8 wird mit einem Ablenksystem 7 eingestellt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in mikrosko­ pischen Objekten mit einem Laser-Rastermikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des Objektes (5) mindestens zwei Laserstrahlen ultrakurzer Impulse (1, 2), von denen mindestens ein erster als Anregungsimpuls (1) und mindestens ein zweiter, der sich in mindestens einem der Parameter Wellenlänge, Modulation, Polarisations­ richtung und/oder Einfallsrichtung von dem ersten unter­ scheidet, als Testimpuls (2) vorgesehen sind, die räumlich unabhängig voneinander und in beliebiger zeit­ licher Abfolge auf das Objekt 5 gebracht werden.