Ein leistungsstarkes Werkzeug zur Weiterentwicklung der optischen Mikroskopie

Heute ist die optische Mikroskopie eine der am häufigsten eingesetzten Methoden in verschiedenen interdisziplinären Bereichen zur Untersuchung von Objekten, Organismen oder Oberflächen im kleinen Maßstab. Allerdings ist die laterale Auflösung grundsätzlich durch die Lichtbeugung begrenzt – eine Einschränkung, die bei der Verwendung herkömmlicher Linsen immer kritischer wird, da die Nachfrage nach höheren Auflösungen steigt.

Die Integration einer dielektrischen Mikrokugel hinter der letzten Abbildungslinse eines optischen Mikroskops bietet eine vielversprechende Lösung zur deutlichen Verbesserung der lateralen Auflösung, ein Forschungsgebiet, das als mikrokugelunterstützte Mikroskopie bekannt ist. In der Praxis ist die Verwendung handelsüblicher dielektrischer Mikrokugeln jedoch mit erheblichen Einschränkungen verbunden.

Für die ordnungsgemäße Handhabung der Mikrokugeln sind umständliche Arbeitsabläufe erforderlich, und die Größe der im Handel erhältlichen dielektrischen Mikrokugeln ist ebenfalls begrenzt. Diese Herausforderungen verhindern die weitverbreitete Anwendung der mikrokugelgestützten Mikroskopie als kostengünstige Alternative zu teuren Mikroskopielösungen wie Rasterelektronenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Fortschrittliche FertigungWissenschaftler des Institute of Electronic Structure and Laser – Foundation for Research and Technology-Hellas, der Universität Helsinki und der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Strategie zur Herstellung hochwertiger Mikrokugeln mittels laserbasiertem 3D-Druck entwickelt. Dieser Ansatz nutzt die Multiphotonenlithografie (MPL), die die maskenlose Herstellung echter 3D-Strukturen im Mikro- und Nanomaßstab ermöglicht.

Aufgrund der nichtlinearen Natur von MPL kann die Präzision durch lokales Verfeinern der Laserintensität während des Druckvorgangs zusätzlich drastisch verbessert werden. Durch die Kombination dieses anspruchsvollen Ansatzes mit einer fortschrittlichen Schraffur- und Schneidestrategie gelang es dem Team, eine Mikrokugel mit einem Durchmesser von 20 µm herzustellen, die eine nahezu perfekte geometrische Qualität (λ/8) und eine außergewöhnliche Oberflächenglätte aufwies.

Schließlich wurde die Mikrokugel auf ein Deckglas gedruckt, in dessen Mitte ein Loch mit Femtosekundenlaserablation entstand. Die Kombination aus diesem modifizierten Deckglas und der Mikrokugel ergibt ein dreidimensionales Mikrogerät, das eine flexible Manipulation der Kugel und ihre mögliche Integration in jedes optische Mikroskop ermöglicht.

Die Leistung der Mikrokugel, wenn sie in das 3D-Mikrogerät integriert ist, wurde mithilfe eines Kohärenz-Scanning-Interferometers (MCSI) vom Typ Mirau und eines Kalibrierungsgitters mit einer Auflösung von λ = 0,28 bewertet. Als Ergebnis übertrafen die optischen Eigenschaften der Kugel die typischen Auflösungsgrenzen herkömmlicher Linsen im sichtbaren Licht, während die hohe axiale Auflösung des MSCI erhalten blieb.

Die Herstellung des 3D-Mikrogeräts dauerte nur 8 Minuten, einschließlich der Modifikation des Deckglases und der Herstellung der Kugel. Damit ist seine Anwendbarkeit als praktische Lösung deutlich. Darüber hinaus ermöglichen die einzigartigen Fähigkeiten des MPL die Erforschung innovativer mikrooptischer Strukturen und Systeme, um die laterale Auflösung sowohl für die 2D- als auch für die 3D-Lichtmikroskopie weiter zu verbessern.

Mit Blick auf die Zukunft heben die Wissenschaftler die zahlreichen Möglichkeiten hervor, das MPL in diesem Bereich einzusetzen, und betonen sein hohes Potenzial für die kostengünstige Entwicklung maßgeschneiderter Geräte, die die Auflösung jedes optischen Mikroskops verbessern.