Mikro- und Nanoskopiesysteme

Dr.-Ing. Robert Kowarsch und Dennis Leitz, M.Sc.

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.

• Auflösungssteigerung kann analytisch mit Systemparametern abgeschätzt 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.
• DFG-Projekt (DFG Projekt 412988268) zum experimentellen Nachweis der Hochauflösung in Zusammenarbeit mit dem Laser-Laboratorium Göttingen e.V., dem Insitut für organische Chemie, dem Insitut für physikalische Chemie und dem Insitut für Energieforschung und Physikalische Technologien.

1. R. Kowarsch, C. Geisler, A. Egner und C. Rembe, “Superresolution reflection microscopy via absorbance modulation: a theoretical study,” in Optics Express 26 (5), S. 5327–5341. DOI: 10.1364/OE.26.005327 .
2. R. Kowarsch und C. Rembe, “Modellierung der Auflösungssteigerung mittels photochromer Schichten für die nanoskopische Laser-Doppler-Vibrometrie,” in Proceedings of the XXX. Messtechnisches Symposium des AHMT, Hanover, Germany, Sept. 2016.

Dr.-Ing. 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.

• Erzeugung von Trägerfrequenzen bis 1,4 GHz für die Messung hochfrequent-schwingender Bauteile.
• Trotz Phasenrauschen der Laserdioden wird eine rauschäquivalente Schwingungsamplitude von kleiner als 1 pm (bei 1 Hz Bandbreite) bei >50 MHz erreicht. Die Auflösung ist bisher vom starken Intensitätsrauschen der Laserdioden begrenzt.
• Modellierung der erzeugten Kohärenz und resultierendem Amplitudenauflösung bei der Vibrationsanalyse.

1. R. Kowarsch and C. Rembe "Heterodyne interferometry at ultra-high frequencies with frequency-offset-locked semiconductor lasers" (to be published) Measurement Science and Technology
2. R. Kowarsch and C. Rembe "Laser-Doppler vibrometry with variable GHz heterodyne carrier via frequency-offset lock" Proceedings SPIE 10749, Interferometry XIX, 107490A (18 August 2018), San Diego
3. R. Kowarsch, T. Rigele, and C. Rembe "Laser-Doppler vibrometer microscope with variable heterodyne carrier" Proceedings of 13th AIVELA Conference, Ancona,  Journal of Physics: Conference Series, Volume 1149, conference 1, 2018

Dr.-Ing. Robert Kowarsch

• Aufbau eines scannenden Vibrometermikroskops mit eigener Software zur Rekonstruktion der out-of-plane Betriebsschwingungen mikroskopischer Bauteile bis zu Vibrationsfrequenzen von 25 MHz.
• Wahl verschiedenster Anregungssignale für eine effiziente Schwingungsanalyse.
• Implementierung eines Vektornetzwerkanalysators für die elektrischische Charakterisierung parallel zur Vibrometermessung und zum Monitoring.

Kooperationen

• Messung an Energy Harvestern des Choo Labs des Caltech.
• Messung an Quarz Mikrowaagen (QCM) des Instituts für Phykialische Chemie der TU Clausthal

Veröffentlichungen 

1. Kowarsch, R., Janzen, J., Rembe, C., et al. (2017). Scanning confocal vibrometer microscope for vibration analysis of energy-harvesting MEMS in wearables. tm - Technisches Messen, 84(s1), pp. 131-137. Retrieved 27 Sep. 2017, from doi:10.1515/teme-2017-0042