05 Sep. Stempel-Effekt im Mikroskop: ein Resonator verbessert das Bild
In der Mikroskopie ist es oft problematisch, wenn zu viel Licht auf eine Probe trifft – etwa, wenn man empfindliche biologische Strukturen abbilden möchte, oder wenn man Quantenteilchen untersucht. Das Ziel ist daher, bei gegebener Lichtmenge möglichst viel Information über das betrachtete Objekt zu sammeln. An der TU Wien verwendete man dafür in einer Kooperation mit der Universität Wien und der Universität Siegen einen neuen Ansatz: Man speichert das Licht in einem Resonator, in dem auch die Probe sitzt. Dadurch lässt sich ein besseres Signal erreichen als mit anderen Methoden.
Besseres Signal durch mehrfache Lichtstreuung
„In einem herkömmlichen Mikroskop fällt das Licht einmal auf die Probe und gelangt dann in ein Objektiv“, sagt Maximilian Prüfer, der die Studie im Rahmen seines Esprit Fellowships des Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF am Atominstitut der TU Wien geleitet hat. „In unserem Mikroskop platzieren wir die Probe in einem optischen Resonator – zwischen zwei Spiegeln.“ Damit der Resonator als Mikroskop wirken kann, entwickelte das Team einen ungewöhnlichen Versuchsaufbau mit zusätzlichen Linsen: Nachdem der Lichtstrahl die Probe durchleuchtet hat, wird er im Kreis geführt und trifft erneut auf die Probe. Oliver Lueghamer, der an der TU Wien das Mikroskop aufgebaut hat, erklärt: „Jetzt wird die Probe also noch einmal durchleuchtet, aber nicht mit einem gewöhnlichen, einheitlichen Lichtstrahl wie zu Beginn, sondern mit einem Lichtstrahl, der gewissermaßen bereits das Bild der Probe in sich trägt.“ Ähnlich wie ein Stempel, den man mehrfach auf dieselbe Stelle drückt, damit auch mit blasser Farbe am Ende ein gut sichtbares Bild erscheint, wird das Bild der Probe immer klarer, wenn es im Resonator mehrfach zur Probe geleitet wird.
Sowohl theoretische Berechnungen, die in Zusammenarbeit mit Thomas Juffmann von der Universität Wien und Stefan Nimmrichter von der Universität Siegen entstanden, als auch Experimente zeigen: Diese Methode liefert bei gegebener Lichtintensität mehr Information als andere Mikroskopietechniken. „Die entscheidende Kennzahl ist die Signal-to-Noise-Ratio, das Verhältnis von erwünschtem Signal und unerwünschtem Rauschen“, erklärt Prüfer. „Dieses Verhältnis ist aufgrund der Mehrfachstreuung bei gleicher Störung der Probe besser als bei anderen Verfahren.“
Trotz instabilem Resonator hochpräzise
Für die Praxistauglichkeit der neuen Methode ist allerdings auch entscheidend, wie anfällig sie gegenüber Störungen ist: „Wenn man optische Resonatoren verwendet, so wie wir das machen, ist es oft wichtig, ihre Länge extrem konstant zu halten“, betont Prüfer. „Normalerweise muss man mit großem Aufwand dafür sorgen, dass der Abstand zwischen den beiden Spiegeln höchstens in winzigem Ausmaß variiert, sonst geht der gewünschte Effekt kaputt. Bei unserem Verfahren ist das allerdings nicht so.“ Der Abstand zwischen den Spiegeln kann auch eine gewisse Instabilität zeigen, ohne dass der Effekt verschwindet. „Das ist wichtig, denn das bedeutet, dass die Methode nicht nur theoretisch funktioniert, sondern in der Praxis mit überschaubarem Aufwand eingesetzt werden kann“, sagt Prüfer.
Eines der Ziele der neuen Mikroskopie-Technik ist nach Angaben der Forschenden, ultrakalte Bose-Einstein-Kondensate abzubilden, und dadurch ihr quantenphysikalisches Verhalten zu studieren.
Originalveröffentlichung:
[O. Lueghammer et al.: Cavity-enhanced continuous-wave microscopy with potentially unstable cavity length; Nature Scientific Reports 15, 27676, 2025, https://www.nature.com/articles/s41598-025-13589-w]
Quelle und Bild: www.tuwien.at