Tunable IR lasers for near-field microscopy
Das Wort „Nano“ ist heutzutage allgegenwärtig und spielt in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen eine entscheidende Rolle. Einerseits beschreibt es eine geometrische Größenordnung, andererseits weist es auf eine neue Generation von Partikeln hin. Nanopartikel besitzen durch ihre geringe Größe einzigartige Eigenschaften, die in größeren Partikeln desselben Materials nicht auftreten. Ob in Farben, Reinigungsmitteln oder Kompositmaterialien – Wissenschaft und Industrie stehen gleichermaßen vor der Herausforderung, diese Partikel und Makromoleküle präzise zu identifizieren, wobei Durchstimmbare IR-Laser eine wichtige Rolle spielen.
Der Bedarf an präzisen Identifikationsmethoden
Besonders bei der chemischen Identifizierung von Nanokompositmaterialien herrscht ein großer Bedarf an präzisen und materialspezifischen Verfahren. Lichtmikroskopie gilt als elegantes und zerstörungsfreies Verfahren, bei dem die Gefahr einer Strahlschädigung von biologischem Material nahezu ausgeschlossen ist. Allerdings stößt diese Methode an ihre Grenzen, da die optische Auflösung für die Darstellung von Nanopartikeln nicht ausreicht.
Warum Infrarotspektroskopie an ihre Grenzen stößt
Infrarotlicht wird häufig zur Analyse chemischer Zusammensetzungen, Kristallstrukturen oder Dotierungen von Materialien eingesetzt. Doch auch die Infrarotspektroskopie hat ihre Einschränkungen. Aufgrund ihrer räumlichen Auflösungsgrenze von einigen Mikrometern ist sie für die Darstellung von Nanopartikeln ungeeignet. Dabei wäre die Analyse auf der Nanometerskala entscheidend, insbesondere bei neuartigen Nanokompositmaterialien oder biologischen Strukturen wie Zellmembranen und Makromolekülen. Hier könnten durchstimmbare IR-Laser zum Einsatz kommen.
Revolutionäre Mikroskopie-Techniken
Die Arbeitsgruppe von Prof. Hillenbrand (CIC Nanogune und Neaspec) hat Mikroskopieverfahren entwickelt, die diese Herausforderungen überwinden. Diese Methoden basieren auf einem Kraftmikroskop (AFM), dessen Tastspitze als Kraft- und Streusonde dient. Ein durchstimmbarer CO2-Laser oder ein Quantenkaskadenlaser leitet Licht auf die Spitze, deren Durchmesser nur 10 nm beträgt. Das von der Spitze gestreute Licht liefert Informationen über die Topographie, mechanische und lokale optische Eigenschaften der Probe. Durchstimmbare IR-Laser helfen dabei, diese Informationen präzise zu gewinnen.
Die Vorteile der Nahfeldmikroskopie
Diese revolutionäre Technik bietet eine optische Auflösung, die unabhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ist. Stattdessen hängt die Auflösung ausschließlich vom Spitzenradius der AFM-Sonde ab und liegt bei etwa 10 nm. Die Spitze wirkt dabei wie eine Antenne und fokussiert das eingestrahlte Licht auf einen extrem kleinen Bereich. Diese präzise Beleuchtung ermöglicht eine optische Nahfeldwechselwirkung zwischen Spitze und Probenoberfläche. Dadurch ändert sich die Intensität des abgestrahlten Lichts abhängig vom lokalen Brechungsindex der Probe. Durchstimmbaren IR-Lasern ist es zu verdanken, dass das Ergebnis ein optisches Bild mit einer Auflösung ist, die nicht von den Grenzen der Beugung abhängig ist.
Die Rolle durchstimmbarer IR-Laser
CO2-Laser mit einem großen Durchstimmbereich von mehr als 1,5 µm erweisen sich als ideale IR-Strahlungsquellen für diese Anwendungen. Unsere Partner bei der ACCESS LASER COMPANY bieten Lösungen zur Linienstabilisierung, einschließlich eines Line-Trackers, der die Laserleistung sowie die longitudinale und transversale Modenstruktur stabilisiert. Dadurch wird die Anwendung durchstimmbarer IR-Laserquellen noch effizienter und präziser.
Conclusion
Durchstimmbare IR-Laserquellen eröffnen neue Möglichkeiten in der Nahfeldmikroskopie und erweitern die Grenzen der optischen Analyse auf der Nanometerskala. Mit ihrer hohen Präzision und Flexibilität eignen sie sich ideal für die chemische Identifizierung von Nanopartikeln und komplexen Materialien. Diese Technologien tragen wesentlich dazu bei, die Forschung und Entwicklung in Bereichen wie Materialwissenschaften und Biotechnologie voranzutreiben.
