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Forschung & Entwicklung XUV-Kohärenztomografie: hohe Auflösung ohne Teilchenbeschleuniger

Erstmals wurde optische Kohärenztomografie mit XUV-Strahlung im Labormaßstab durchgeführt.

Bei der optischen Kohärenztomografie (OCT) lassen sich durch Infrarotstrahlung die verschiedenen Schichten der Netzhaut durchdringen und dreidimensional genauer untersuchen, ohne dass das Auge überhaupt berührt werden muss. Auf diese Weise lassen sich Erkrankungen wie Grüner Star schnell und ohne Eingriff erkennen. Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena  (FSU) konnten durch Verwendung kürzerer Wellenlängen eine höhere Auflösung dieser Bildgebungsmethode erzielen.

Dazu setzten sie die im eigenen Labor erzeugte extreme ultraviolette Strahlung (XUV) ein. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt bei 20 bis 40 Nanometer und wird normalerweise mit Teilchenbeschleunigern wie das Deutsche Elektronen-Synchroton in Hamburg erzeugt. Zur Erzeugung einer solchen Strahlung im kleineren Maßstab fokussierten die Forscher ultrakurze, intensive Infrarotlaserpulse in ein Edelgas. Durch einen Ionisationsprozess werden die Elektronen im Gas beschleunigt und XUV-Strahlung wird emittiert. Zwar sei diese Methode sehr ineffizient, da nur etwa ein Millionstel der Laserstrahlung auch tatsächlich vom infraroten in den extrem ultravioletten Bereich umgewandelt werde, aber dieser Verlust lasse sich durch den Einsatz starker Laserquellen ausgleichen.

Vorteile der XUV-Kohärenztomografie sind die hohe Auflösung und starke Interaktion der Strahlung mit der Probe. Da verschiedene Stoffe unterschiedlich stark auf de Strahlung reagieren, entstehen starke Bildgebungskontraste, die Informationen über die materielle Zusammensetzung des zu untersuchenden Objektes liefern. Sollte dieses Verfahren beispielsweise auch bei der Untersuchung von Zellen Anwendung finden, wäre das vorherige Einfärben der Proben nicht mehr nötig. Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff würden selbst den Kontrast liefern.

Mit der aktuellen Lichtquelle kann eine Tiefenauflösung von bis zu 24 Nanometer erzeugt werden. Das reicht zwar aus, um kleine Strukturen, beispielsweise in Halbleitern abzubilden, jedoch liegen die Strukturgrößen aktueller Chips teilweise bereits unter dieser Marke. Mit neuen noch stärkeren Lasern sollte es in Zukunft möglich sein, mit der Methode bis zu drei Nanometer Tiefenauflösung zu erreichen. Langfristiges Ziel könne es schließlich sein, ein bedienungsfreundliches Gerät zu entwickeln, das Laser und Mikroskop vereint und etwa der Halbleiterindustrie oder biologischen Laboren dieses Bildgebungsverfahren unkompliziert ermöglicht.

Originalveröffentlichung:

[S. Fuchs et al., Optical coherence tomography with nanoscale axial resolution using a laser-driven high-harmonic source, Optica Vol. 4 Issue 8 (2017), DOI: 10.1364/OPTICA.4.000903]

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