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Mikro- und Nanoskopiesysteme

Messplatz mit Laser-Doppler-Vibrometer Mikroskop. Foto: Kowarsch

Absorptionsmodulations-Nanoskopie in Reflektion

Dipl.-Ing. (FH) Robert Kowarsch

Stand der Technik/Motivation

  • Schaltbare Fluoreszenz in Molekülen ermöglicht in der Fernfeld-Mikroskopie eine Abbildung jenseits des Abbeschen Beugungslimits (z.B. STED, PALM, STORM). Obwohl das zugrundeliegende Konzept zur Verwendung optisch-geschalteter Übergänge nicht auf die Fluoreszenz beschränkt ist, basieren die Nanoskopie-Verfahren auf denm Fluoreszenzkontrast. Für allgemeine Bildgebung unterhalb der Beugungsgrenze (unabhängig von der Fluoreszenz) werden zumeist Nahfeld-Methoden verwendet, die in Aufbau und Handling kompliziert sind
  • Mit Hilfe optisch-sättigbarer Übergänge in sog. Photochromen (Absorbance Modulation) kann eine reversible, subwellenlängen Blende in direktem Kontakt mit der Messoberfläche erzeugt werden. Die Generierung der Blende erfolgt hierbei durch Fernfeld-Strahlung bei zwei Wellenlängen.
  • Das Verfahren der "Absorbance Modulation" wurde bereits in der Lithographie (AMOL), bei optischen Datenträgern und Transmissions-Mikroskopie erfolgreich angewendet um Auflösungssteigerungen bis unterhalb der Beugungsgrenze zu erreichen.
  • Unser Forschungfeld beschäftigt sich mit der Simulation der Bildgebung mittels photochromer Schichten für die Reflexionsmikroskopie an technischen Oberflächen. Wichtigste Fragestellung ist die Machbarkeit sowie die Wahl geeigneter Systemparameter.

Methoden

  • Simulation anhand einer Modellierung eines Reflektionsmikroskops unter Verwendung photochromer Schichten zur lateralen Auflösungsverbesserung. Dabei wird die nichtlineare Photochemie, die Beugungs an der subwellenlängen Blende, Fresnel-Reflektionen, sowie Abbilsungseingeschaften eines Konfokal-Mikroskops berücksichtigt.
  • Ableitung analytischer Gleichungen für eine Vereinfachung des Systemdesigns.

Forschungsergebnisse

  • Auflösungssteigerung kann analytisch mit Systemparametern berechnet werden (in Analogie zu STED). Entscheidender Parameter ist das Leistungsverhältnis zwischen den Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Die analytische Lösung folgt dem simulierten Verhalten gut bis starke Beugung an der Blende auftritt.
  • Umfassende Simulationen mit Hilfe der Modellierung zeigen ein gutes Potential eine Auflösungssteigerung von λ/5 zu erreichen.
  • Geimeinsames DFG-Projekt zum Nachweis der Hochauflösung im Verbund mit dem Laser-Laboratorium Göttingen e.V. und Institute der Universität Clausthal und mehreren Clausthaler Instituten.

Veröffentlichungen

Beispiel für die numerische Simulation einer photochromen Schicht unter (rotationssymmetrischer) Bestrahlung bei zwei Wellenlängen im photostationären Gleichgewicht. Figure: Kowarsch

Konfokales Vibrometermikroskop mit variabler GHz-Trägerfrequenz

.Dipl.-Ing. (FH) Robert Kowarsch

Stand der Technik/Motivation

  • Effiziente Erzeugung eines hochfrequenten heterodynen Trägers bei mehreren GHz, wo konventionelle Frequenzschieber (Braggzellen) ineffizient arbeiten.
  • Freie Wahl der Trägerfrequenz nach optimalem Demodulations-Spetralbereich jenseits dominanter Rausch- und Störquellen

Methoden

  • Variable Trägererzeugung mittels zweier DBR-Diodenlaser im sichtbaren Spektralbereich, die über eine optische Phasenregelschleife auf eine Frequenzdifferenz gelockt werden.
  • Aufbau eines scannenden Laser-Doppler-Vibrometer Mikroskops mit ausreichender lateraler Auflösung zur Rekonstruktion der Schwingungsmoden.

Ergebnisse

  • Erzeugung von Trägerfrequenzen bis 1,4 GHz für die Messung hochfrequent-schwingender Bauteile.
  • Trotz Phasenrauschen der Laserdioden wird eine rauschäquivalente Schwingungsamplitude von wenigen Pikometer (bei 1 Hz Bandbreite) bei >100 MHz erreicht. Die Auflösung ist bisher vom starken Intensitätsrauschen der Laserdioden begrenzt.

Veröffentlichungen

Scannendes Vibrometermikroskop zur Schwingungsanalyse von Mikrosystemen

Dipl.-Ing. (FH) Robert Kowarsch

Stand der Technik/Motivation

  • Tragbare Elektronik (sog. "Wearables") benötigt flexible Stromversorgung. Die Gewinnung der Energie mit Hilfe von schwingungsfähigen, piezoelektrischen Mikrosystemen aus der menschlichen Stimme erlaubt Energieautarkie.
  • In Kooperation mit Choo Labs des Caltech.
  • Scannende Laser-Doppler-Vibrometer-Mikroskope haben sich bei der Analyse von Mikrosystemen bewährt.

Ergebnisse

  • Aufbau eines scannenden Vibrometermikroskops mit eigener Software zur Rekonstruktion der out-of-plane Betriebsschwingungen mikroskopischer Bauteile.
  • Verifikation des Systems anhand der simulierten Schwingformen eines Energy-Harvesting Mikrosystems, das die Energie der menschlichen Stimme nutzt (Spektralbereich der maximalen Energie bei 100-300 Hz für Erwachsene).
  • Wahl verschiedenster Anregungssignale für eine effiziente Schwingungsanalyse.

Veröffentlichungen 

 

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