Nano-Tomographie von Lichtstrukturen

Physikern und Chemikern der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster ist es gemeinsam gelungen, ein nano-tomographisches Messverfahren zu entwickeln, das die unsichtbaren Eigenschaften von Nano-Lichtfeldern im Fokus einer Linse „sichtbar“ macht. Ein solches Verfahren kann zum Beispiel dabei helfen, Nano-Lichtfelder als Werkzeug für die Materialbearbeitung, optische Pinzetten oder hochauflösende Bildgebung zu nutzen. 
 

Strukturiertes Laserlicht kommt bereits heute in vielen Anwendungen vor: Es kann Material präziser schneiden, kleinste Partikel oder Zellkompartimente fangen und bewegen oder eine höhere Datenrate in der nächsten Computer-Generation ermöglichen. Fokussiert man strukturierte Licht­strahlen durch eine starke Linse, entstehen – ähnlich wie bei einer Lupe als Brennglas – dreidimensionale Licht­strukturen, die dazu führen, dass sich die Auflösung bei allen Anwendungen enorm verbessert. Derartige intensive Lichtfelder ebneten bereits den Weg zu bahnbrechenden Anwendungen wie der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten STED-Mikroskopie.

Allerdings konnten diese Nano-Lichtfelder selbst bisher nicht vermessen werden, da sie durch die starke Fokussierung Licht­komponenten enthalten, die für gewöhnliche Messmethoden unsichtbar sind. Dieser Mangel an geeigneten Messverfahren behindert bis heute den erwarteten Durchbruch der Nano-Lichtfelder, um sie als Werkzeug für die Material­bearbeitung, optische Pinzetten oder hochauflösende Bildgebung anzuwenden.

Einem Team um Cornelia Denz vom Institut für angewandte Physik und Bart Jan Ravoo vom Center for Soft Nanoscience (SoN) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) ist es nun gelungen, ein nano-tomographisches Mess­verfahren zu entwickeln, das die unsichtbaren Eigenschaften der Nano-Lichtfelder im Fokus einer Linse „sichtbar“ macht – ohne aufwendige numerische Interpretations- und Auswertungs­verfahren. Hierfür hat das Team die Expertise in der Nanooptik und der organischen Chemie miteinander kombiniert, um ein Verfahren zur optischen Nano-Tomographie auf Basis einer Monoschicht organischer Moleküle zu realisieren. Diese Schicht wird in das fokussierte Lichtfeld eingebracht und sendet bei Beleuchtung mit dem Nano-Lichtfeld eine charakteristische Antwort in Form von Fluoreszenz aus, die alle Informationen über die sonst unsichtbaren Eigenschaften enthält.

Durch die Detektion dieser Antwort ist die eindeutige Identifikation des Nano-Lichtfeldes mit nur einer Kamera­aufnahme schnell und unkompliziert möglich. „Das Verfahren macht das bisher ungenutzte Potenzial dieser Licht­strukturen für viele weitere Anwendungen zugänglich“, betont Studienleiterin Cornelia Denz. 

WWU / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Otte et al.: Polarization nano-tomography of tightly focused light landscapes by self-assembled monolayers, Nat. Commun. 10, 4308 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12127-3
• Nichtlineare Photonik (C. Denz), Westfälische Wilhelms-Universität Münster
• Synthesis of Nanoscale Systems (B. J. Ravoo), Westfälische Wilhelms-Universität Münster