DE102005044422A1 - Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation - Google Patents

Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation Download PDF

Info

Publication number
DE102005044422A1
DE102005044422A1 DE200510044422 DE102005044422A DE102005044422A1 DE 102005044422 A1 DE102005044422 A1 DE 102005044422A1 DE 200510044422 DE200510044422 DE 200510044422 DE 102005044422 A DE102005044422 A DE 102005044422A DE 102005044422 A1 DE102005044422 A1 DE 102005044422A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
radiation
cars
pump
polarization
stokes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200510044422
Other languages
German (de)
Inventor
Jürgen Prof. Dr. Popp
Torsten Dr. Siebert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
Priority to DE200510044422 priority Critical patent/DE102005044422A1/en
Publication of DE102005044422A1 publication Critical patent/DE102005044422A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0224Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using polarising or depolarising elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/44Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • G01N2021/653Coherent methods [CARS]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • G01N2021/653Coherent methods [CARS]
    • G01N2021/656Raman microprobe
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211Ellipsometry

Abstract

The microscope has a pump-laser (2) delivering pump-radiation (3), and a stroke-laser (4) delivering stroke-radiation. A sample illuminating device focuses the pump-and stroke-radiation in a sample area, and a spectral analyzer (25) detects coherent anti-stroke Raman scattering (CARS)-radiation emitted by a CARS-process in the area. The illuminating device polarizes the pump and stroke radiation linear and parallel to one another. A polarization analyzer (22) is arranged before the analyzer (25) and executes an ellipsometric analysis of the CARS-radiation.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein CARS-Mikroskop mit mindestens einer Pumpstrahlung abgebenden Pump-Laserquelle und einer Stokes-Strahlung abgebenden Stokes-Laserquelle, einer Probenbeleuchtungseinrichtung, die Pump- und Stokes-Strahlung in einen Probenraum fokussiert, und einem Detektor, der durch einen CARS-Prozess im Probenraum emittierte CARS-Strahlung detektiert.The The invention relates to a CARS microscope with at least one Pumping radiation emitting pump laser source and a Stokes radiation emitting Stokes laser source, a sample illumination device, the pump and Stokes radiation focused in a sample space, and a detector that emitted through a CARS process in the sample space CARS radiation detected.

Entwicklungen in der nichtlinearen Laser-Mikroskopie haben es ermöglicht, molekulare Spezies anhand ihrer charakteristischen Schwingungszustände durch den Einsatz der kohärenten anti-Stokes'schen Ramanstreuung (CARS = coherent anti-Stokes Raman scattering) mit hoher Ortsauflösung zu identifizieren. Die Veröffentlichung Volkmer A. et al., J. Phys. D, 2005, 38, R59-R81, schildert ein entsprechendes CARS-Mikroskop.developments in nonlinear laser microscopy have made it possible molecular species by their characteristic vibrational states the use of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS = coherent anti-Stokes Raman scattering) with high spatial resolution too identify. The publication Volkmer A. et al., J. Phys. D, 2005, 38, R59-R81, describes a corresponding CARS microscope.

Der physikalische Ablauf des CARS-Prozesses ist schematisch in 2 gezeigt. Mittels einer Pumpstrahlung P wird ein Molekühl aus einem Grundzustand G in einen Zwischenzustand Z angeregt. Durch kohärente Wellenzumischung einer Stokes-Strahlung S erfolgt gleichzeitig eine Abregung auf einen angeregten Zustand V, so daß im Endeffekt eine resonante Anregung eines Vibrationszustandes entsprechend dem angeregten Zustand V gegeben ist. Aus diesem Vibrationszustand erfolgt mittels einer weiteren Pumpstrahlung P, die in den meisten Fällen identisch zur bereits genannten Pumpstrahlung P ist, eine Anregung auf einen angeregten Zustand A. Von diesem angeregten Zustand A gelangt das Molekül unter Emission von CARS-Strahlung C wieder in den Grundzustand G. An diesem Prozeß sind vier Photonen beteiligt: Pump-, Stokes-, Probe- und anti-Stokes'sches CARS-Photon. Die Pump-, Stokes- und Probe-Photonen können aus einer spektral breitbandigen oder aus zwei oder drei zueinander synchronisierten, gepulsten Laserquellen stammen. Um die erforderlichen Lichtintensitäten zu erreichen, regt man üblicherweise mit kurz gepulsten Lasern, beispielsweise mit Femto- oder Pikosekundenpulsen an. Es liegt also insgesamt eine kohärente Erzeugung eines Anti-Stokes-Photons durch Drei-Wellenmischung vor. Die Wellenlänge des Anti-Stokes-Photons ist dabei kürzer, als die Wellenlängen von Stokes- und Pump-Strahlung. Es ist eine Anregung im nahinfrarotem Spektralbereich möglich.The physical process of the CARS process is schematic in 2 shown. By means of a pump radiation P, a molecule is excited from a ground state G into an intermediate state Z. By coherent Wellenenzumischung Stokes radiation S is simultaneously a de-excitation to an excited state V, so that in the end a resonant excitation of a vibration state corresponding to the excited state V is given. From this vibration state takes place by means of a further pump radiation P, which is identical in most cases to the aforementioned pump radiation P, an excitation to an excited state A. From this excited state A, the molecule passes under emission of CARS radiation C back to the ground state G. Four photons are involved in this process: pump, Stokes, probe and anti-Stokes CARS photon. The pump, Stokes and probe photons can be from a spectrally broadband or from two or three synchronized pulsed laser sources. In order to achieve the required light intensities, one usually starts with short pulsed lasers, for example with femtosecond or picosecond pulses. Thus, there is overall a coherent generation of an anti-Stokes photon by three-wave mixing. The wavelength of the anti-Stokes photon is shorter than the wavelengths of Stokes and pump radiation. It is possible to excite in the near-infrared spectral range.

Beim CARS-Prozeß ist die Stokes-Strahlung spektral rot-verschoben relativ zur Pump-Strahlung. Durch die Wechselwirkung eines Mediums mit der Pump- und Stokes-Welle wird ein mikroskopischer Eigenzustand im Medium kohärent bevölkert, dessen Energie der Differenz von Pump- und Stokes-Photon entspricht. Dieser Zustand kann von jeglicher Natur sein, z.B. einer molekulären Schwingung, Rotation oder einer elektronischen Resonanz entsprechen. Der Zustand im angeregten Ensemble ist kohärent und dessen Phase wird durch die Phasenbeziehung zwischen der Pump- und Stokes-Welle bestimmt. Durch die inelastische Streuung des Probe-Photons am angeregten Ensemble entsteht das entsprechend spektral blau-verschobene, anti-Stokes'sche CARS-Photon. Das CARS-Signal ist kohärent und der Phasenanpassung entsprechend räumlich ausgerichtet. Das System kehrt im gesamten Prozeß in den Ausgangszustand zurück. Es ist eine Anregung in allen Spektralbereichen möglich. Die im nachfolgenden beschriebene Methode zur mikroskopischen Bildgebung kann auch Vierwellenmisch-Prozessen, wie z.B. die entartete Vierwellenmischung oder CSRS (Kohärente Stokes'sche Raman-Streuung), eingesetzt werden. Bei diesen Prozessen besitzen die beteiligten Photonen andere Frequenzen relativ zu einander, jedoch analog zum CARS-Prozeß führt die Wechselwirkung von zwei Photonen zur kohärenten Besetzung eines mikroskopischen Eigenzustands, von dem die Streuung eines weiteren Probe-Photons das kohärente Signal erzeugt.At the CARS process is the Stokes radiation spectrally red-shifted relative to the pump radiation. By the interaction of a medium with the pump and Stokes wave a microscopic eigenstate is coherently populated in the medium, its energy the difference of pump and Stokes photon corresponds. This condition may be of any nature, e.g. a molecular vibration, Rotation or an electronic resonance correspond. The state in the animated ensemble is coherent and whose phase is determined by the phase relationship between the pumping and Stokes wave determined. Due to the inelastic scattering of the sample photon at excited ensemble, the corresponding spectral blue-shifted, anti-Stokes CARS photon. The CARS signal is coherent and the phase matching aligned accordingly. The system returns throughout the process Initial state back. It is possible to excite in all spectral ranges. The in the following described method for microscopic imaging may also be four-wave mixing processes, e.g. the degenerate four-wave mixing or CSRS (coherent Stokes Raman scattering) become. In these processes, the photons involved have different Frequencies relative to each other, but analogous to the CARS process leads the Interplay of two photons for the coherent occupation of a microscopic one Eigenstate, from which the scattering of another sample photon the coherent one Signal generated.

Aufgrund der Energie- und Impulserhaltung beim in 2 dargestellten Prozeß wird das Anti-Stokes-Photon in eine bestimmte Raumrichtung emittiert, wobei eine Emission in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung auftreten kann.Due to the conservation of energy and momentum during in 2 As shown, the anti-Stokes photon is emitted in a certain spatial direction, whereby emission may occur in a forward or reverse direction.

Durch die nichtlineare Beziehung zwischen der Intensität der eingehenden Laserstrahlung und der CARS-Strahlung entsteht letztere nur in einem zum Laserfokus eingeengten Bereich, wodurch eine hohe Ortsauflösung erreicht ist. Ein räumliches Abscannen des Probenvolumens liefert dann gewünschte zwei- oder drei-dimensionale Bilder.By the non-linear relationship between the intensity of the incoming laser radiation and the CARS radiation is created only in one of the laser focus narrowed area, whereby a high spatial resolution is achieved. A spatial scanning of the sample volume then provides desired two- or three-dimensional Images.

Die molekulare Erkennung beruht also auf der intrinsischen Raman-Resonanzverstärkung eines CARS-Prozesses. Sie erfolgt, wenn die am CARS-Prozess beteiligten Laser auf die Raman-Verschiebung einer charakteristischen, molekularen Schwingung abgestimmt werden. Aufgrund der optischen Nichtlinearität ist die hohe Ortsauflösung möglich, und der Prozeß kann ohne synthetischen Marker erfolgen, der ansonsten zur Störung der Struktur und Funktion des zu untersuchenden Systems führen könnten. CARS-Mikroskopie ist daher besonders für biologische Fragestellungen von großem Interesse.The Molecular recognition is thus based on the intrinsic Raman resonance amplification of a CARS process. It takes place when those involved in the CARS process Lasers on the Raman shift a characteristic, molecular vibration to be tuned. Due to the optical nonlinearity, the high spatial resolution is possible, and the process can be done without synthetic marker, which otherwise interferes with the Structure and function of the system under investigation. CARS microscopy is therefore especially for biological Issues of great Interest.

Bei Untersuchungen an biologischen Systemen zeigen sich jedoch Probleme im Kontrast zwischen unterschiedlichen Substanzen, da die relevanten Bereiche im Raman-Spektrum eine hohe spektrale Dichte aufweisen und die Banden dieser Systeme oftmals eine erhebliche inhomogene Verbreiterung zeigen. Somit ist die selektive Abfrage einer bestimmten Raman-Resonanz aufgrund der Überlagerung von verschiedenen Banden erschwert und die Differenzierung molekularer Spezies begrenzt. Zu dem kommt die limitierte spektrale Auflösung der Laser aufgrund des Pulsbetriebes. Eine weitere Verminderung der Signalqualität wird durch den hohen Untergrund des nicht-resonanten CARS-Signals verursacht.However, investigations on biological systems show problems in the contrast between different substances, since the relevant regions in the Raman spectrum have a high spectral density and the bands of these systems often show a considerable inhomogeneous broadening. Thus, the selective interrogation of a particular Raman resonance is difficult due to the superposition of different bands and limits the differentiation of molecular species. In addition, there is the limited spectral resolution of the laser due to the pulsed operation. Further degradation of signal quality is caused by the high background of the non-resonant CARS signal.

Die WO 03/004983 A1, die ein CARS-Mikroskop der eingangs genannten Art offenbart, setzt einen polarisationsempfindlichen Detektor, der einen drehbaren Polarisationsanalysator aufweist, ein. Weiter werden die Polarisationen des Pump-Strahles und des Stokes-Strahles aufeinander abgestimmt, so daß sie beide linear polarisiert sind, wobei zwischen den Polarisationsrichtungen ein bestimmter Winkel > 0 eingestellt ist.The WO 03/004983 A1, which is a CARS microscope of the type mentioned discloses a polarization-sensitive detector, the a rotatable polarization analyzer. Continue to be the polarizations of the pump beam and the Stokes beam on each other voted so that they both are linearly polarized, being between the polarization directions a certain angle> 0 is set.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein CARS-Mikroskop zu schaffen, das nicht-resonanten CARS-Signaluntergrund besser unterdrückt und eine verbesserte Differenzierung molekularer Spezies ermöglichen.Of the The invention is therefore based on the object, a CARS microscope to create that non-resonant CARS signal background better suppressed and improved differentiation enable molecular species.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Mikroskop der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Probenbeleuchtungseinrichtung eine Polarisatoreinheit aufweist, welche Pump- und Stokes-Strahlung linear und parallel zueinander polarisiert, und bei dem der Detektor eine Polarisationsanalysatoreinheit vorgeordnet ist, die eine ellipsometrische Analyse der CARS-Strahlung durchführt.These Task is according to the invention with a Microscope of the type mentioned, in which the sample illumination device having a polarizer unit which pump and Stokes radiation polarized linearly and parallel to each other, and in which the detector a polarization analyzer unit is arranged upstream, which is an ellipsometric Analysis of CARS radiation performs.

Diese Analyse kann z.B. dadurch erfolgen, daß die Einheit elliptisch polarisierte Anteile der CARS-Strahlung filtert und nicht-elliptische Anteile unterdrückt.These Analysis can e.g. be done by the unit elliptically polarized Shares of CARS radiation filters and suppresses non-elliptical portions.

Eine deutliche Verbesserung im Kontrast, in der molekularen Erkennung und in der strukturellen Zuordnung wird also durch die Analyse und Selektion unterschiedlicher Polarisationszustände im CARS-Signal erreicht. Deshalb ist die Polarisationsanalyseeinheit als Mittel für eine Analyse des elliptischen Anteils des Signals bei der nichtlinearen, mikroskopischen Methode vorgesehen. Der optische Aufbau ermöglicht es, die nichtlineare Raman-optische Aktivität (NL-ROA) aus dem Gesamtsignal zu isolieren und zu detektieren. Zu dem kann der nicht-resonante Anteil der CARS-Strahlung maßgeblich unterdrückt bzw. zur heterodynen Verstärkung des deutlich schwächeren NL-ROA-Anteils verwendet werden.A significant improvement in contrast, in molecular recognition and in the structural assignment is so through the analysis and Selection of different polarization states in the CARS signal achieved. Therefore, the polarization analysis unit is a means for analysis elliptical part of a signal at a nonlinear, microscopic Method provided. The optical design allows the nonlinear Raman optical activity (NL-ROA) from the Isolate and detect the total signal. To which can the non-resonant Proportion of CARS radiation is decisive repressed or for the heterodyne amplification of significantly weaker NL-ROA share are used.

Die Detektion von NL-ROA ist besonders bei biologischen Systemen von Relevanz, da Chiralität oder chirale Strukturelemente in fast allen wichtigen biologischen Molekülklassen, wie Proteine, DNA, RNA, Kohlenhydrate, vorhanden sind. Diese Eigenschaft spielt eine zunehmend wichtige Rolle bei synthetischen Materialien. Der Vergleich zwischen linearen ROA- und Raman-Spektren von komplexen biologischen Systemen zeigt kontrastreiche, charakteristische Banden im Fall von ROA, während die Raman-Spektren nur bedingt eindeutige Strukturen und guten Kontrast aufweisen. Diese deutliche Zunahme an Information ermöglicht es z.B. bei Proteinen, eine charakteristische Sekundärstruktur eindeutig zu differenzieren. Die nun erreichte Detektion von NL-ROA im Rahmen der CARS-Mikroskopie kombiniert die selektive Detektion von bestimmten molekularen Systemen anhand der Raman-Resonanzverstärkung aus der klassischen CARS-Mikroskopie mit der Identifizierung von charakteristischen chiralen Strukturelementen mittels der Raman-optischen Aktivität. Somit wird die nichtlineare Raman-optische Aktivität als neues Kontrastmittel neben der Raman-Resonanz in die CARS-Mikroskopie eingeführt und ein neuartiges Verfahren in der mikroskopischen Bildgebung geschaffen.The Detection of NL-ROA is particularly useful in biological systems of Relevance, because chirality or chiral structural elements in almost all important biological classes of molecules, how proteins, DNA, RNA, carbohydrates, are present. This attribute plays an increasingly important role in synthetic materials. The comparison between linear ROA and Raman spectra of complex biological systems shows contrasting, characteristic bands in the case of ROA, while the Raman spectra only partially definite structures and good contrast exhibit. This significant increase in information makes it possible e.g. in proteins, a characteristic secondary structure clearly differentiate. The now achieved detection of NL-ROA in CARS microscopy combines the selective detection of certain molecular systems based on Raman resonance amplification classical CARS microscopy with the identification of characteristic chiral structural elements by means of the Raman optical activity. Consequently becomes the non-linear Raman optical activity introduced as a new contrast agent in addition to the Raman resonance in the CARS microscopy and created a novel method in microscopic imaging.

Die Analyse der Elliptizität in der Polarisation der CARS-Strahlung, z.B. durch Herausfilterung der elliptisch-polarisierten Anteile zur Detektion und Unterdrückung der nicht elliptisch-polarisierten Anteile, führt also letztlich zu einer chiralsensitiven CARS-Mikroskopie. Die ellipsometrische Polarisationsanalyse des CARS-Signals nach vorheriger paralleler Polarisation von Pump- und Stokesstrahlung kontrastiert in der mikroskopischen Bildgebung die nichtlineare Raman-optische Aktivität. Damit sind Molekülstrukturen wie Proteine, DNA, RNA, Polysacharide, usw. selektiv detektierbar. Nichtresonanter Untergrund wird zugleich unterdrückt.The Analysis of ellipticity in the polarization of the CARS radiation, e.g. by filtering out the elliptically polarized portions for detection and suppression of not elliptic-polarized Shares, leads ultimately a chiral-sensitive CARS microscopy. The ellipsometric Polarization analysis of the CARS signal after previous parallel Polarization of pumping and Stokes radiation contrasts in the microscopic Imaging the nonlinear Raman optical activity. In order to are molecular structures like Proteins, DNA, RNA, polysaccharides, etc. selectively detectable. non-resonant Underground is also suppressed.

Das erfindungsgemäße Mikroskop eignet sich also für nicht-punktsymmetrische Moleküle, die deshalb Chiralität, also eine Bevorzugung zirkularer Polarisationszustände mit bestimmter Drehrichtung bei CARS-Aktivität zeigen.The Microscope according to the invention is suitable for non-point-symmetric molecules, which is why chirality, So a preference for circular polarization states with show specific direction of rotation in CARS activity.

Wesentlich für diesen Ansatz ist, daß Pump- und Stokes-Strahlung mit gleicher linearer Polarisierung in den Probenraum bzw. in das Probenvolumen einfallen. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Probenbeleuchtungseinrichtung die Pump- und Stokes-Strahlung in Überlagerung bringt und danach die Polarisatoreinheit die lineare Polarisierung der überlagerten Strahlung bewirkt. Durch diesen Ansatz ist sichergestellt, daß die beiden Strahlungen identisch linear polarisiert sind.Essential For this Approach is that pumping and Stokes radiation with the same linear polarization in the sample space or invade the sample volume. It is therefore preferred that the sample illumination device brings the pumping and Stokes radiation in superposition and then the Polarizer unit the linear polarization of the superimposed Radiation causes. This approach ensures that the two Radiations are identically linearly polarized.

Die ellipsometrische Analyse der CARS-Strahlung kann prinzipiell mit jedem geeigneten Mittel erfolgen. Vorteilhafterweise weist die Polarisationsanalyseeinheit eine Lambda/4-Platte auf.The ellipsometric analysis of the CARS radiation can in principle be carried out by any suitable means. Advantageously, the Pola Risk analysis unit on a lambda / 4-plate.

Besonders einfach ist die Analyse, wenn die Polarisationsanalysatoreinheit die elliptisch polarisierten Anteile in linear polarisierte Strahlung umwandelt, wobei die Polarisationsrichtung unabhängig von der elliptischen Polarisation einstellbar ist. Diese Einstellbarkeit stellt sicher, daß die nachfolgende Analyse der in linear Polarisierung umgewandelten elliptischen Polarisation ohne eventuell sonst störende polarisationsabhängige Effekte im Detektor bzw. der Detektoroptik erfolgen kann. Ansonsten könnte eine eventuelle Polarisationsabhängigkeit der nachfolgenden Optik den zu messenden Effekt überlagern oder unterdrücken.Especially simple is the analysis when the polarization analyzer unit the elliptically polarized portions in linearly polarized radiation The polarization direction is independent of the elliptical polarization is adjustable. This adjustability ensures that the subsequent analysis the converted in linear polarization elliptical polarization without possibly disturbing polarization dependent Effects in the detector or the detector optics can be done. Otherwise could one possible polarization dependence superimpose or suppress the effect to be measured on the subsequent optics.

Eine besonders zweckmäßig und einfach zu realisierende Variante der Polarisationsanalysatoreinheit verwendet eine Reihenschaltung aus einem Lambda/4-Element und einem linearem Polarisationsfilter. Schaltet man dazwischen noch ein Lambda/2-Element, ist die erwähnte Unabhängigkeit der linearen Polarisationsrichtung von der elliptischen Polarisation gegeben, da man durch Drehen des Lambda/2-Elementes eine konstante Ausrichtung der Polarisationsrichtung der umgewandelten Strahlung sicherstellen kann. Polarisationsabhängige Reflexionen der nachfolgenden Optik, wie sie beispielsweise bei optischen Reflexionsgittern auftreten können, wirken sich dann nicht für verschiedene elliptische Polarisationszustände unterschiedlich aus, sondern können immer gleichmäßig minimiert werden.A especially functional and easy to implement variant of the polarization analyzer unit uses a series combination of a lambda / 4 element and a linear polarization filter. If you switch between a lambda / 2 element, is the mentioned one independence the linear polarization direction of the elliptical polarization given that by turning the lambda / 2 element a constant Orientation of the polarization direction of the converted radiation can ensure. Polarization-dependent reflections of the following Optics, as they occur for example in optical reflection gratings can, then do not work for different elliptical polarization states different, but can always minimized evenly become.

Um das CARS-Mikroskop für verschiedene elliptische Polarisationszustände besonders bequem anwenden zu können, ist es vorteilhaft, die Polarisatoreinheit, den linearen Polarisationsfilter und, soweit vorhanden, auch das Lambda/2-Element hinsichtlich ihrer für die Polarisation wirksamen Richtung verstellbar auszugestalten, beispielsweise drehbar im Strahlengang zu halten.Around the CARS microscope for Apply different elliptic polarization states particularly convenient to be able to it is advantageous, the polarizer unit, the linear polarizing filter and, if present, the lambda / 2 element in terms of their for the Polarization effective direction adjustable to design, for example rotatably in the beam path to keep.

Eine möglichst vollautomatisch arbeitendes Mikroskop erreicht man durch Verwendung eines Steuergerätes, daß die Polarisationseinheit, den linearen Polarisationsfilter und, soweit vorhanden, auch das Lambda/2-Element ansteuert und diese hinsichtlich ihrer für die Polarisation wirksamen Richtung einstellt und/oder ausliest.A preferably Fully automatic microscope can be reached by using a control unit, that the Polarization unit, the linear polarizing filter and, as far as present, also controls the lambda / 2 element and this regard her for sets the polarization effective direction and / or reads.

Die Einführung des Lambda/2-Elements ermöglicht eine polarisationsinvariante Detektion bei der Analyse des NL-ROA-Anteils im Signal, z.B. durch die Drehung des Elements und einer festen Analysator-Einstellung. Die elliptische Polarisation wird dann nicht durch die Drehung des Analysators vermessen. Durch diesen Ansatz bleibt die Polarisation am Detektor konstant in ihrer Ausrichtung. Dies ist äußerst günstig, um polarisationsabhängige Reflektionen an der nachfolgenden Optik, z.B. an optischen Reflektionsgittern, zu vermeiden. Die Polarisationsabhängigkeit der nachfolgenden Optik könnte ansonsten den NL-ROA-Effekt überlagern bzw. unterdrücken.The introduction of the lambda / 2 element a polarization-invariant detection in the analysis of NL-ROA content in the signal, e.g. by the rotation of the element and a fixed analyzer setting. The elliptical polarization will not be affected by the rotation of the Measure analyzer. By this approach, the polarization remains at the detector constant in their orientation. This is extremely cheap to polarization dependent Reflections on the subsequent optics, e.g. on optical reflection gratings, to avoid. The polarization dependence of the following Optics could otherwise overlay the NL-ROA effect or suppress.

Das Lambda/2-Element ermöglicht bei Drehbarkeit eine variable Einstellung eine heterodyne Verstärkung von NL-ROA durch den orthogonal polarisierte CARS-Anteil aus dem elektrischen Dipolmoment. Ein Drehen des Elements führt zu einem variablen Verhältnis in der Projektion dieser beiden Signalanteile auf die Ebene des Analysators, ohne daß dieser gedreht werden muß. Somit ist eine variable heterodyne Verstärkung ohne Drehung in der Polarisation des detektierten Signals möglich. Dies ist wie oben diskutiert aufgrund der Polarisationsabhängigkeit der nachfolgenden Optik von Vorteil.The Lambda / 2 element allows at rotation a variable setting a heterodyne gain of NL-ROA by the orthogonally polarized CARS portion from the electrical Dipole moment. Turning the element results in a variable ratio in the projection of these two signal components onto the analyzer level, without this must be turned. Thus, a variable heterodyne gain is without rotation in the polarization the detected signal possible. This is as discussed above due to the polarization dependence the subsequent optics of advantage.

Das Lambda/2-Element erlaubt weiter Polarisationsmethoden aus der klassischen CARS-Spektroskopie/Mikroskopie ohne die Verwertung chiraler Information, so daß eine Unterdrückung des nicht-resonanten Untergrunds bzw. Selektion unterschiedlicher Tensorkomponenten des CARS-Prozesses realisiert ist. Hierzu ist ein Mikroskop günstig, das eine Drehung der Polarisation der Stokes-Strahlung gegenüber der Pump-Strahlung z.B. mittels einer Lambda/2-Platte bewirkt. Zur Analyse des Signals wird keine Verzögerung zwischen orthogonalen Polarisationskomponenten eingestellt, und die Polarisationsanalysatoreinheit selektiert die gewünschte Polarisationskomponenten. Somit ist diese in der CARS-Mikroskopie etablierte Polarisationsmethode in Kombination mit den für chiralsensitiven NL-ROA-Messungen abwandelbar.The Lambda / 2 element allows further polarization methods from the classical CARS spectroscopy / microscopy without the utilization of chiral information, so that a suppression of the non-resonant background or selection of different tensor components CARS process is realized. For this purpose, a microscope is favorable, the a rotation of the polarization of the Stokes radiation with respect to Pump radiation e.g. effected by means of a lambda / 2 plate. For analysis the signal will not be delayed set between orthogonal polarization components, and the polarization analyzer unit selects the desired polarization components. Thus, this polarization method established in CARS microscopy is in Combination with the for chiral-sensitive NL-ROA measurements be modified.

Das erfindungsgemäße Mikroskop erreicht die notwendige Empfindlichkeit für die Detektion von NL-ROA-Anteilen in der CARS-Strahlung. Sowohl die vollständige Information aus polarisierten CARS-Messungen in achiralen Systemen als auch die Information aus NL-ROA und/oder optischer Rotationsdispersion (ORD) in chiralen Proben ist zugänglich. Die Erfindung zeigt deutlich Vorteile zu anderen chiralsensitiven Techniken. Methoden, die optische Aktivität untersuchten, beruhen zum Großteil auf einem Differenzsignal. Hierbei muß jeweils bei links- und rechts-zirkular polarisierter Eingangsstrahlung das Signal vermessen werden, bzw. der Anteil von links-, und rechtszirkular polarisiertem Licht im Signal bestimmt werden. Differenzverfahren führen jedoch zu einer deutlich langsameren Datenaufnahme. Die direkte Vermessung des NL-ROA-Anteils erreicht die hohe Geschwindigkeit die für ein Laserscanning-Verfahren nötig ist. Zusätzlich werden die Schwierigkeiten, die mit dem Umschalten zwischen links- und rechts-zirkular polarisiertem Licht auftreten und besonders bei der erhöhten Bandbreite von gepulsten Quellen zu berücksichtigen sind, vermieden.The Microscope according to the invention achieves the necessary sensitivity for the detection of NL-ROA components in the CARS radiation. Both the complete information from polarized CARS measurements in achiral systems as well as the information from NL-ROA and / or Optical Rotation Dispersion (ORD) in chiral samples is accessible. The invention clearly shows advantages over other chiral-sensitive ones Techniques. Methods that examined optical activity are based on Bulk up a difference signal. This must be left and right circular polarized input radiation, the signal can be measured, or the proportion of left- and right-circularly polarized light in the signal be determined. Difference procedures, however, lead to a clear slower data recording. Direct measurement of NL-ROA content achieves the high speed required for a laser scanning process. additionally the difficulties associated with switching between left and right and right circularly polarized light occur and especially at the elevated Bandwidth of pulsed sources are to be avoided.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein CARS-Mikroskop anzugeben, das eine verbesserte Ortsauflösung insbesondere in Tiefenrichtung aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Mikroskop der eingangs genannten Art vorgesehen, das eine Einrichtung zur Erzeugung einer Referenz-Strahlung, die zur Pump- und zur Stokes-Strahlung phasengekoppelt ist, und Mittel zur interfermetrischen Überlagerung der Referenz-Strahlung mit der CARS-Strahlung am Detektor aufweist.Of the Invention is further based on the object, a CARS microscope specify that an improved spatial resolution, especially in the depth direction having. To the solution This object is inventively a microscope provided of the type mentioned, which is a device for Generation of a reference radiation, the pump and the Stokes radiation phase-locked, and means for interferometric superposition the reference radiation with the CARS radiation at the detector has.

Der Einsatz von phasengekoppelten Pump- und Stokes-Lasern in einem CARS-Prozess sowie von phasengekoppelter heterodyner Detektion des CARS-Signals mit Referenz-Strahlung bietet eine Verbesserung in der axialen Auflösung von bis zu zwei Größenordnungen gegenüber klassischen beugungsbegrenzten Abbildungsmethoden. Die genaue Auflösung ist abhängig von der Stabilität der Phasenkopplung und der räumlichen Stabilität der beteiligten Laserpulse und dem Signal sowie der Wellenlänge.Of the Use of phase-coupled pump and Stokes lasers in a CARS process as well as phase-locked heterodyne detection of the CARS signal with reference radiation provides an improvement in the axial resolution of up to two orders of magnitude across from classical diffraction-limited imaging methods. The exact resolution is dependent from the stability the phase coupling and the spatial stability the involved laser pulses and the signal as well as the wavelength.

Das erfindungsgemäße Mikroskop realisiert eine interferometrische Abbildung zur Steigerung der axialen Auflösung kombiniert mit einem Laser-Scanning-Verfahren zur lateralen Bildgebung und erlaubt auch eine Zeitauflösung in der Bildgebung, die nur durch Repetitionsrate und Detektorgeschwindigkeit bzw. Signalstärke und Detektorempfindlichkeit begrenzt ist. Somit ist eine Einzelschuß-Signaldetektion und gleichzeitig Echtzeit-Bildgebung möglich.The Microscope according to the invention realizes an interferometric mapping to increase the axial resolution combined with a laser scanning method for lateral imaging and also allows a time resolution in the imaging, which only by repetition rate and detector speed or signal strength and detector sensitivity is limited. Thus, a single-shot signal detection and simultaneous real-time imaging possible.

Erfindungsgemäß wird also ein CARS-Mikroskop mit einem interferometrischen Detektionsverfahren versehen. Das CARS-Mikroskop führt also mittels einer Interferometeranordnung eine holographische, mikroskopische Bildgebung aus und kombiniert dies mit der intrinsisch markerfreien molekularen Erkennung und Nichtlinearität des CARS-Prozesses. Wesentliches Merkmal ist dabei die Phasenkopplung zwischen Pump-, Stokes- und Referenz-Strahlung, bzw. entsprechenden Laserpulsen. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße phasensensitive CARS-Mikroskop in zwei unterschiedlichen optischen Anordnungen zu realisieren. So ist eine konfokale Strahlungsanordnung mit einem Laser-Scanning-Ansatz zur Bildgebung möglich. Auch kann eine nicht-kollineare Strahlenanordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung Heinrich C. et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 84, 812-818, beschrieben ist.Thus, according to the invention a CARS microscope with an interferometric detection method Mistake. The CARS microscope leads So by means of an interferometer a holographic, microscopic imaging, combining this with the intrinsic marker-free molecular recognition and nonlinearity of the CARS process. essential Feature is the phase coupling between pump, Stokes and Reference radiation, or corresponding laser pulses. in principle it is possible, the phase-sensitive invention CARS microscope in two different optical arrangements too realize. So is a confocal radiation arrangement with a Laser scanning approach possible for imaging. Also, a non-collinear beam arrangement may be used as described, for example, in the publication Heinrich C. et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 84, 812-818.

Die Referenz-Strahlung kann u.a. auf zwei verschienen Art und Weisen gewonnen werden. Zum einen wird ein optisch parametrischer Prozeß durch einen geeigneten optisch-parametrischen Oszillator ausgenutzt, der zur Pump- und zur Stokes-Strahlung und damit zur CARS-Strahlung phasengekoppelt ist. Zum anderen kann die Einrichtung zur Erzeugung der Referenz-Strahlung die Referenz-Strahlung aus der überlagerten Pump- und Stokes-Strahlung erzeugen. Sie weist dazu geeignete Mittel zum Überlagern der Pump- und Stokes-Strahlung auf. Vorzugsweise wird zur Erzeugung der Referenz-Strahlung ein getrennter CARS-Prozeß verwendet, der die gewünschte Referenz-Strahlung als CARS-Strahlung eines von der Probenvermessung unabhängigen CARS-Prozesses bereitstellt. Derart erzeugte Referenz-Strahlung ist dann automatisch phasengekoppelt zur Pump- und Stokes-Strahlung.The Reference radiation may i.a. in two different ways be won. On the one hand, an optically parametric process by a suitable optical parametric Oscillator used to pump and Stokes radiation and so that it is phase-locked to the CARS radiation. On the other hand, the Device for generating the reference radiation the reference radiation from the superimposed Generate pump and Stokes radiation. She has suitable means for this to overlay the Pump and Stokes radiation on. Preferably, for the production The reference radiation uses a separate CARS process that provides the desired reference radiation as CARS radiation of a CARS process independent of the sample measurement provides. Such generated reference radiation is then automatically phase-locked for pumping and Stokes radiation.

Wie erwähnt, kann zur Bildgebung vorteilhaft eine Scannereinrichtung verwendet werden, die den Probenraum mit überlagerter Pump- und Stokesstrahlung abscannt und die CARS-Strahlung abscannend aufnimmt. Dies liefert die gewünschte Bilderzeugung.As mentioned, For example, a scanner device may be used for imaging be superimposed with the sample space Scanned pump and Stokes radiation and absorbs the CARS radiation abscannend. This delivers the desired Imaging.

Alternativ kann auch die erwähnte nicht-kollineare Anordnung verwendet werden, wie sie in der genannten Veröffentlichung geschildert ist. Dann wird ein Phasengitter aus zwei beliebig aufgeweiteten Pump-Laserstrahlungspulsen mit einem nicht-kollinearen Stokes-Laserstrahlungspuls abgetastet. Die Pump-Laserstrahlung muß dann nicht gescannt werden. Die Kombination mit der Phasenkopplung zur Referenz-Strahlung erreicht dann eine interferometrisch gesteigerte axiale Auflösung und zugleich eine hohe Zeitauflösung, da zur Bildgewinnung kein Scanning-Verfahren nötig ist, wenn als Detektor ein bildgebender Detektor verwendet wird. Pump-, Stokes- und Referenz-Strahlung sind dann geeignet aufgeweitet, um das Bild insgesamt abzudecken.alternative can also the mentioned non-collinear arrangement can be used as mentioned in the publication is described. Then a phase grating of two arbitrarily expanded Pump laser radiation pulses with a non-collinear Stokes laser radiation pulse sampled. The pump laser radiation then does not have to be scanned. The combination with the phase coupling to the reference radiation reaches then an interferometrically increased axial resolution and at the same time a high time resolution, since no scanning process is necessary for image acquisition, if as a detector an imaging detector is used. Pump, Stokes and reference radiation are then appropriately expanded to cover the image as a whole.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The The invention will be described below with reference to the drawing by way of example explained in more detail. In the drawings shows:

1 eine Schemadarstellung eines CARS-Mikroskops zur chiralsensitiven CARS-Mikroskopie, 1 a schematic representation of a CARS microscope for chiral-sensitive CARS microscopy,

2 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des zum Stand der Technik gehörenden CARS-Prinzipes, 2 5 is a schematic illustration illustrating the state of the art CARS principle;

3 eine Schemadarstellung eines CARS-Mikroskops zur phasensensitiven CARS-Mikroskopie, wobei die Referenzstrahlung durch einen optisch-parametrischen Prozeß erzeugt wird, 3 a schematic representation of a CARS microscope for phase-sensitive CARS microscopy, wherein the reference radiation is generated by an optical-parametric process,

4 eine Darstellung ähnlich der 3, wobei die Referenz-Strahlung aus der Pump- und Stokes-Strahlung des CARS-Mikroskopes erzeugt wird, 4 a representation similar to the 3 wherein the reference radiation is generated from the pump and Stokes radiation of the CARS microscope,

5 ein CARS-Mikroskop zur phasensensitiven CARS-Mikroskopie mit einer nicht-kollinearen Anordnung von Pump- und Stokes-Strahlung, wobei die Referenz-Strahlung durch einen optisch-parametrischen Oszillator erzeugt wird, und 5 a CARS microscope for phase-sensitive CARS microscopy with a non-collinear Arrangement of pump and Stokes radiation, wherein the reference radiation is generated by an optical parametric oscillator, and

6 ein CARS-Mikroskop ähnlich dem der 5, wobei die Referenz-Strahlung aus der Pump- und Stokes-Strahlung erzeugt wird. 6 a CARS microscope similar to the one of 5 wherein the reference radiation is generated from the pump and Stokes radiation.

In 1 ist eine Mikroskop 1 gezeigt, das das Prinzip der kollinearen forward-CARS-Mikroskopie verfolgt, d. h. die erzeugte CARS-Strahlung wird im Durchlichtbetrieb einer Probe gewonnen. Alternativ kann aber auch Rückstreuung im Sinne des bekannten epi-CARS-Prozesses ausgewertet werden. Die hier gezeigte forward-CARS-Mikroskopanordnung hat den Vorteil, daß ein Signal mit deutlich höherer Intensität gewonnen wird. Dies ist in Anbetracht der niedrigen Intensitäten, die bei der zu detektieren nicht linearen Raman-optischen Aktivität (NL-ROA) zu erwarten ist, vorteilhaft ist. Das in 1 gezeigte Mikroskop bewerkstelligt eine Polarisationsanalyse der CARS-Strahlung zur Unterdrückung des nicht-resonanten CARS-Signals oder zu heterodynen Verstärkung des NL-ROA-Anteils. Neben der gezeigten kollinearen Anordnung kann auch ein anderer CARS-Aufbau verwendet werden.In 1 is a microscope 1 which follows the principle of collinear forward CARS microscopy, ie the generated CARS radiation is obtained in the transmitted light mode of a sample. Alternatively, however, backscatter can also be evaluated in the sense of the known epi-CARS process. The forward CARS microscope arrangement shown here has the advantage that a signal with significantly higher intensity is obtained. This is advantageous in view of the low intensities to be expected in the non-linear Raman optical activity (NL-ROA) to be detected. This in 1 The microscope shown accomplishes a polarization analysis of the CARS radiation to suppress the non-resonant CARS signal or to heterodyne amplification of the NL-ROA portion. In addition to the collinear arrangement shown, another CARS setup can be used.

Das in 1 gezeigte CARS-Mikroskop 1 weist einen Pump-Laser 2, der Pump-Strahlung 3 abgibt, sowie einen Stokes-Laser 4, der Stokes-Strahlung 5 abgibt, auf. Die Strahlen aus Pump-Laser 2 und Stokes-Laser 4 werden mittels eines dichroitischen Spiegels 5 überlagert, so daß sie kollinear verlaufen. Die überlagerte Strahlung fällt durch einen Polarisator 7, der die überlagerte Pump-Strahlung 3 und Stokes-Strahlung 5 linear polarisiert. Die derart polarisierte Strahlung 8 wird von einem Objektiv 9 fokussiert. Der Polarisator 7 und das Objektiv 9 bilden zusammen eine Beleuchtungseinrichtung 10, die eine Probe 11 mit fokussierter, überlagerter Pump-Strahlung 3 und Stokes-Strahlung 5 beleuchtet. Im Fokus 12 liegt also dann eine überlagerte, in gleiche Richtung linear polarisierte Mischung aus Pump-Strahlung 3 und Stokes-Strahlung 5 vor, wobei die Polarisationsrichtungen vorzugsweise lediglich durch die unterschiedlichen Einfallswinkel im Fokus variieren.This in 1 shown CARS microscope 1 has a pump laser 2 , the pump radiation 3 and a Stokes laser 4 , the Stokes radiation 5 gives up. The rays from pump laser 2 and Stokes lasers 4 become by means of a dichroic mirror 5 superimposed so that they run collinear. The superimposed radiation falls through a polarizer 7 that the superimposed pump radiation 3 and Stokes radiation 5 linearly polarized. The thus polarized radiation 8th is from a lens 9 focused. The polarizer 7 and the lens 9 together form a lighting device 10 that a sample 11 with focused, superimposed pump radiation 3 and Stokes radiation 5 illuminated. In focus 12 So then lies a superimposed, in the same direction linearly polarized mixture of pump radiation 3 and Stokes radiation 5 before, wherein the polarization directions preferably vary only by the different angles of incidence in the focus.

Die Strahlungen werden gepulst derart eingesteuert, daß im Fokus 12 ein CARS-Prozess ausgelöst wird. Die dadurch entstehende Probenstrahlung 13 wird im transmittiven Betrieb (bei einer epi-CARS-Anordnung im reflektiven Betrieb) unter dem durch den CARS-Prozess vorbestimmten Winkel aufgenommen und von einer Linse 14 aufgesammelt. Ein nachliegendes Hochpaßfilter 15 trennt eventuell transmittierte Pump- oder Stokes-Strahlung 3, 5 ab, so daß nach dem Hochpaßfilter 15 lediglich CARS-Strahlung 16 vorliegt. Die CARS-Strahlung 16 durchläuft anschließend eine Lambda/4-Platte, die elliptisch-polarisierte Anteile der CARS-Strahlung 16 linear polarisiert.The radiations are pulsed so controlled that in focus 12 a CARS process is triggered. The resulting sample radiation 13 is received in transmissive mode (in an epi-CARS array in reflective mode) at the angle predefined by the CARS process and by a lens 14 collected. A downstream high-pass filter 15 separates any transmitted pump or Stokes radiation 3 . 5 off, so that after the high pass filter 15 only CARS radiation 16 is present. The CARS radiation 16 then passes through a lambda / 4 plate, the elliptically polarized portions of the CARS radiation 16 linearly polarized.

Eine nachgeordnete Lambda/2-Platte 19, die drehbar ist, erlaubt es, die erzeugte lineare polarisierte Strahlung hinsichtlich der Polarisationsrichtung zu drehen. Nach der Lambda/2-Platte liegt linear polarisierte, gedrehte Strahlung 20 vor. Ein Analysator 21 analysiert die Polarisationsrichtung und läßt nur die aus einem bestimmten elliptischen Polarisationszustand stammende CARS-Strahlung 16 passieren. Nach dem Analysator 21 liegt folglich gefilterte Strahlung 23 vor. Die Lambda/4-Platte, die Lambda/2-Platte und der Analysator 21 stellen zusammen eine Polarisationsanalyseeinheit dar, die eine ellipsometrische Analyse der CARS- Strahlung 16 vornimmt. Natürlich sind auch andere Realisierungen der Polarisationsanalyseeinheit 22 möglich.A downstream lambda / 2 plate 19 which is rotatable, allows the generated linear polarized radiation to rotate in the direction of polarization. After the lambda / 2 plate is linearly polarized, rotated radiation 20 in front. An analyzer 21 analyzes the polarization direction and leaves only the CARS radiation originating from a certain elliptical polarization state 16 happen. After the analyzer 21 is therefore filtered radiation 23 in front. The lambda / 4 plate, the lambda / 2 plate and the analyzer 21 Together they represent a polarization analysis unit that provides an ellipsometric analysis of the CARS radiation 16 performs. Of course, other implementations of the polarization analysis unit are also 22 possible.

Die gefilterte Strahlung 23 wird von einer Detektoroptik 24 auf einen Spektrananalysator 25 geleitet, der als Detektor fungiert und die gefilterte Strahlung 23 spektral analysiert, um bestimmte Komponenten des CARS-Prozesses, die in der Probe 11 stattfinden, zu selektieren. Die Lambda/4-Platte 17 kompensiert eine Phasenverschiebung zwischen orthogonal polarisierten Strahlungsanteilen der CARS-Strahlung 16. Die Drehung in der linearen Polarisation kann anschließend durch den Winkel ermittelt werden, um den die Lambda/2-Platte 19 gedreht werden muß, damit die Strahlung den Analysator 21 passieren kann.The filtered radiation 23 is from a detector optics 24 on a spectral analyzer 25 which acts as a detector and the filtered radiation 23 spectrally analyzed to identify specific components of the CARS process in the sample 11 take place, to select. The lambda / 4 plate 17 compensates for a phase shift between orthogonally polarized radiation components of the CARS radiation 16 , The rotation in the linear polarization can then be determined by the angle to the lambda / 2 plate 19 must be turned so that the radiation is the analyzer 21 can happen.

Die Polarisationsanalyseeinheit 22 analysiert den elliptischen Anteil der CARS-Strahlung 16, welcher direkt mit dem NL-ROA-Anteil der Gesamtstrahlung korreliert. Das CARS-Mikroskop 1 kann darüber hinaus die lineare Polarisation analysieren und somit verschiedene Tensorkomponenten des CARS-Signalen selektieren, die keinen NL-ROA-Beitrag haben, und erreicht somit eine selektive Detektion gemäß der Symmetrie des molekularen Systems bzw. der molekularen Spezies. Zudem wird der nicht-resonanten Anteil der klassischen CARS-Mikroskopie unterdrückt.The polarization analysis unit 22 analyzes the elliptical portion of CARS radiation 16 , which correlates directly with the NL-ROA fraction of the total radiation. The CARS microscope 1 In addition, it can analyze the linear polarization and thus select different tensor components of the CARS signals that do not have NL-ROA contribution, thus achieving selective detection according to the symmetry of the molecular system (s). In addition, the non-resonant part of classical CARS microscopy is suppressed.

Zur Analyse der Polarisation der CARS-Strahlung 16 wird mittels der Polarisationsanalyseeinheit 22 eine Differenzierung zwischen zwei Signalanteilen getroffen. Das Gesamtsignal besitzt einen Beitrag aus elektrischem Dipolanteil eines CARS-Prozesses, wobei dieser Dipolanteil keine Information über eine optische Aktivität der Probe trägt. Weiter ist ein Beitrag in Form des NL-ROA-Signals vorhanden, der aus einem elektrischen Quadrupol- sowie einem magnetischen Dipolanteil stammt und Informationen über die Chiralität der Probe trägt.To analyze the polarization of CARS radiation 16 is determined by means of the polarization analysis unit 22 made a differentiation between two signal components. The total signal has a contribution from electrical dipole portion of a CARS process, this dipole portion carries no information about an optical activity of the sample. There is also a contribution in the form of the NL-ROA signal, which originates from an electric quadrupole and a magnetic dipole component and carries information about the chirality of the sample.

Die Analyse nützt aus, daß der NL-ROA-Anteil in der CARS-Strahlung 16 mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad zum optisch inaktiven Anteil der CARS-Strahlung 16 auftritt und daß weiter der NL-ROA-Anteil einen orthogonal polarisierten Anteil zum optisch inaktiven Anteil besitzt. Dies ermöglicht mit dem CARS-Mikroskop 1 unterschiedliche Polarisationsanalysen.The analysis makes use of the fact that the NL-ROA content in the CARS radiation 16 with a phase shift of 90 degrees to the optically inactive portion of the CARS radiation 16 and that further the NL-ROA moiety has an orthogonally polarized moiety to the optically inactive moiety. This is possible with the CARS microscope 1 different polarization analyzes.

Um festzustellen, ob die Probe 12 einen NL-ROA-Anteil in der CARS-Strahlung 16 verursacht, kann man zuerst den Drehwinkel der Lambda/4-Platte 17 gegenüber der Lambda/2-Platte 19 und dem Analysator 21 fest so einstellen, daß eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen dem dipolaren, d. h. optisch inaktiven Anteil der CARS-Strahlung 16 und den NL-ROA-Anteil kompensiert ist. Die Überlagerung dieser orthogonal polarisierten Anteile wird zu einer Drehung in der linearen Polarisierung des Gesamtsignals. Der genaue Drehwert kann mittels geeigneter Verstellung der Lambda/2-Platte 19 und dem Analysator 21 bestimmt werden. Hierzu wird der Analysator 21 90 Grad gegenüber dem Polarisator 7 ausgerichtet, so daß lineare Polarisation aus dem dipolaren Anteil der CARS-Strahlung gesperrt ist.To determine if the sample 12 an NL-ROA content in the CARS radiation 16 caused, one can first the rotation angle of the lambda / 4-plate 17 opposite the lambda / 2 plate 19 and the analyzer 21 firmly set so that a phase shift of 90 degrees between the dipolar, ie optically inactive portion of the CARS radiation 16 and the NL-ROA component is compensated. The superposition of these orthogonally polarized portions becomes a rotation in the linear polarization of the total signal. The exact rotational value can be adjusted by means of suitable adjustment of the lambda / 2 plate 19 and the analyzer 21 be determined. For this purpose, the analyzer 21 90 degrees to the polarizer 7 aligned so that linear polarization is blocked from the dipolar portion of the CARS radiation.

Die Intensität des Signals nach dem Analysator 9 wird dann als Funktion des Drehwinkels der Lambda/2-Platte aufgenommen. Bei einem achiralen Material in der Probe 11 würde das Minimum bei einem Drehwinkel von 0 Grad erwartet. Liegt das Minimum bei einem anderen Drehwinkel, liegt ein NL-ROA-Anteil vor. Auf diese Weise analysiert die Polarisationsanalyseeinheit 22 den elliptischen Anteil der CARS-Strahlung 16, der direkt mit dem NL-ROA-Anteil koreliiert und bestätigt die Anwesenheit eines NL-ROA-Anteils.The intensity of the signal after the analyzer 9 is then recorded as a function of the angle of rotation of the lambda / 2 plate. For an achiral material in the sample 11 the minimum would be expected at a rotation angle of 0 degrees. If the minimum lies at a different angle of rotation, there is an NL-ROA component. In this way, the polarization analysis unit analyzes 22 the elliptical portion of the CARS radiation 16 which correlates directly with the NL-ROA fraction and confirms the presence of an NL-ROA fraction.

Zur Bildgebung des NL-ROA-Anteils wird die Probe 11 mittels Pump- und Stokes-Laser-Strahlung 3, 5 mittels geeigneter Mittel räumlich abgetastet. Hierzu ist z.B. in der Beleuchtungseinrichtung 10 ein (nicht gezeigter) Scanner vorgesehen. Der NL-ROA-Anteil im gesamten CARS-Signal wird bestimmt und als Funktion der Position in der Probe 11 aufgezeichnet.The sample is imaged for NL-ROA content 11 using pump and Stokes laser radiation 3 . 5 spatially scanned by suitable means. This is for example in the lighting device 10 a scanner (not shown) is provided. The NL-ROA fraction in the entire CARS signal is determined and as a function of the position in the sample 11 recorded.

Dazu wird die Lambda/4-Platte, wie oben beschrieben, eingestellt und der Analysator wird um 90 Grad zum Polarisator 7 ausgerichtet, um den dipolaren, d.h. linear polarisierten Anteil der CARS-Strahlung, zu blockieren. Weiter wird die Lambda/2-Platte auf einen Drehwinkel eingestellt, der am Kontrast zwischen NL-ROA-Anteil und optisch inaktivem CARS-Signal angepaßt wird. Bei hohem Kontrast kann ein Winkel von nahezu 0 Grad eingestellt werden, um den nichtresonanten Untergrund weitgehend zu unterdrücken. Ein Winkel >> 0 Grad wird gewählt, um den NL-ROA-Anteil möglichst stark zu kontrastieren. Die Winkelwahl erlaubt also eine variable Einstellung des Kontrastes zwischen NL-ROA-Anteil und optisch inaktivem Anteil gekoppelt mit der Einstellung für Hintergrundunterdrückung und heterodyner Verstärkung des NL-ROA-Anteils durch den linear-polarisierten Anteil.This is done by adjusting the Lambda / 4 plate as described above and turning the analyzer 90 degrees into a polarizer 7 aligned to block the dipolar, ie linearly polarized portion of the CARS radiation. Further, the lambda / 2 plate is set to a rotation angle that matches the contrast between NL-ROA fraction and optically inactive CARS signal. At high contrast, an angle of almost 0 degrees can be set to largely suppress the non-resonant ground. An angle >> 0 degrees is chosen to contrast the NL-ROA component as much as possible. The angle selection thus allows a variable adjustment of the contrast between NL-ROA content and optically inactive content coupled with the background suppression and heterodyne enhancement of the NL-ROA content by the linear-polarized component.

Hierdurch ist die Auftragung der detektierten Signalintensität als Funktion der Ortskoordinate automatisch eine Abbildung der molekularen Bestandteile der Probe mit der gewählten Raman-Resonanz, d. h. also bei der gewählten spektralen Analyse im Spektralanalysator 21, wobei die abgebildeten Bestandteile eine chirale Struktur aufweisen, also optisch aktiv sind.As a result, the plot of the detected signal intensity as a function of the location coordinate is automatically an image of the molecular components of the sample with the selected Raman resonance, ie, in the selected spectral analysis in the spectral analyzer 21 , wherein the imaged components have a chiral structure, that are optically active.

Die Detektion des NL-ROA-Anteils kann nun vorzugsweise mit dem deutlich intensiveren, nichtlinearen Anteil der CARS-Strahlung 16, die maximal den 106 bis 108 fachen Intensitätswert hat, heterodyn verstärkt werden. Dazu stellt man die Lambda/2-Platte um einen geringen Wert von 0 Grad abweichend ein. Bei dieser Einstellung haben sowohl der NL-ROA-Anteil, als auch der lineare Anteil der CARS-Strahlung 16 einen Anteil in der Projektion auf die Polarisationsebene des Analysators 21. Die beiden Signale werden somit bei geeigneter Einstellung der Lambda/4-Platte auf 90° Phasenverschiebung der orthogenal polarisierten CARS-Strahlung in Phase am Spektralanalysator 25 also am Detektor gemischt. Der NL-ROA-Anteil wird somit heterodyn mit dem dipolaren, linear-polarisierten Strahlungsanteil verstärkt.The detection of the NL-ROA moiety can now preferably with the much more intense, non-linear portion of the CARS radiation 16 , which has a maximum of 10 6 to 10 8 times the intensity value, be heterodyne amplified. For this purpose, the lambda / 2 plate is adjusted by a small value of 0 degrees. At this setting, both the NL-ROA content and the linear portion of the CARS radiation have 16 a proportion in the projection on the polarization plane of the analyzer 21 , The two signals are thus at a suitable adjustment of the lambda / 4 plate to 90 ° phase shift of the orthogenically polarized CARS radiation in phase at the spectral analyzer 25 So mixed at the detector. The NL-ROA component is thus heterodyne-enhanced with the dipolar, linear-polarized radiation component.

Die Polarisationsanalyse bietet zudem die Möglichkeit, die optische Rotationsdispersion (ORD) in einer Probe zu charakterisieren und analog zur NL-ROA als Kontrast in der Bildgebung zu nutzen. Hierzu wird die Lambda/4-Platte aus dem Strahlengang entfernt. ORD in einer optisch aktiven Probe bewirkt eine Dispersion in der Drehung der linearen Polarisation von Pump- und Stokes-Strahlung und führt somit zu einer Drehung in der linearen Polarisation des gesamten CARS-Signals. Diese Drehung kann festgestellt werden, indem der Analysator 90° zum Polarisator eingestellt und das Signal als Funktion des Drehwinkels der Lambda/2-Platte aufgenommen wird. Bei achiralen Substanzen findet keine Rotation der Gesamtpolarisation des CARS-Signals statt, während optisch aktive bzw. chirale Probe einen Drehwinkel ≠ 0 aufweisen.The Polarization analysis also offers the possibility of optical rotation dispersion (ORD) in a sample and analogous to the NL-ROA as Contrast in imaging to use. For this purpose, the lambda / 4 plate removed from the beam path. ORD in an optically active sample causes a dispersion in the rotation of the linear polarization of pump and Stokes radiation and thus leads to a rotation in the linear polarization of the entire CARS signal. This rotation can be determined by the analyzer 90 ° to the polarizer adjusted and the signal as a function of the rotation angle of the lambda / 2 plate is recorded. In achiral substances no rotation of the Total polarization of the CARS signal instead, while optically active or chiral Sample a rotation angle ≠ 0 exhibit.

Zur Bildgebung von ORD wird die Probe 11 mittels Pump- und Stokes-Laser-Strahlung 3, 5 mittels geeigneter Mittel räumlich abgetastet. Hierzu ist z. B. in der Beleuchtungseinrichtung 10 ein (nicht gezeigter) Scanner vorgesehen. ORD wird durch die Drehung in der linearen Polarisation des CARS-Signals bestimmt und als Funktion der Position in der Probe 11 aufgezeichnet.Imaging of ORD becomes the sample 11 using pump and Stokes laser radiation 3 . 5 spatially scanned by suitable means. For this purpose z. B. in the lighting device 10 a scanner (not shown) is provided. ORD is determined by the rotation in the linear polarization of the CARS signal and as a function of the position in the sample 11 recorded.

Dazu wird die Lambda/4-Platte, wie oben beschrieben, aus dem Strahlengang entfernt, und der Analysator wird um 90° zum Polarisator 7 ausgerichtet. Die Lambda/2-Platte wird auf einen Drehwinkel eingestellt, der einen guten Kontrast bietet zwischen den Drehwinkeln der linearen Polarisation des CARS-Signals einer Probe mit ORD und einer optisch inaktiven Probe. Bei hohem Kontrastverhältnis kann ein Winkel von nahezu 0° eingestellt werden, und ein Winkel > 0 wird gewählt, um ORD mit möglichst hohem Kontrast zu charakterisieren, jedoch gekoppelt mit einem erhöhten Untergrundsignal für große Winkel der Lambda/2-Platte.For this purpose, the lambda / 4 plate, as described above, removed from the beam path, and the analyzer is 90 ° to the polarizer 7 aligned. The lambda / 2 plate is set at a rotation angle that provides good contrast between the rotation angles of the linear polarization of the CARS signal of a sample with ORD and an optically inactive sample. With a high contrast ratio, an angle of almost 0 ° can be set, and an angle> 0 is chosen to characterize ORD with the highest possible contrast, but coupled with an increased background signal for large angles of the lambda / 2 plate.

Hierdurch ist die Auftragung der detektierten Signalintensität als Funktion der Ortskoordinate automatisch eine Abbildung der molekularen Bestandteile der Probe, die optisch aktiv sind und somit chirale Strukturelemente besitzen.hereby is the plot of the detected signal intensity as a function The coordinate of the place automatically maps the molecular components of the Sample which are optically active and thus chiral structural elements have.

Die Erfassung der gefilterten Strahlung 23 erfolgt mittels des Spektralanalysators 25 durch einen Monochromator und einem Multikanaldetektor. Hierdurch können unterschiedliche Frequenzkomponenten in der gefilterten Strahlung simultan detektiert werden. Dadurch werden Beiträge aus unterschiedlichen Raman-Resonanzen, die in ihrer Überlagerung zur Unterdrückung des NL-ROA-Anteils führen könnten, getrennt detektiert. Zudem kann bei einem spektral aufgelösten Signal, wie es der Spektralanalysator 25 liefert, die Dispersion der Verzögerung der Lambda/4- und Lambda/2-Platten berücksichtigt werden.The detection of the filtered radiation 23 takes place by means of the spectral analyzer 25 through a monochromator and a multichannel detector. As a result, different frequency components in the filtered radiation can be detected simultaneously. As a result, contributions from different Raman resonances, which in their overlay could lead to the suppression of the NL-ROA fraction, are detected separately. Moreover, in the case of a spectrally resolved signal, such as the spectral analyzer 25 takes into account the dispersion of the lambda / 4 and lambda / 2 plate delay.

3 zeigt ein CARS-Mikroskop 1, das zusätzlich oder unabhängig zur Polarisationsanalyse gemäß 1, die eine chiralsensitive CARS-Mikroskopie bewirkt, eine phasensensitive CARS-Mikroskopie ermöglicht. Das Mikroskop 1 der 3, das natürlich schematisch dargestellt ist, kombiniert deshalb eine Interferometeranordnung zur Erhöhung der Auflösung in axialer Richtung mit einer Raman-Resonanzverstärkung eines CARS-Prozesses zur molekularen Erkennung. Dem anhand 1 geschilderten Mikroskop entsprechende Bauteile sind in der Darstellung der 3 (wie auch in den 4 bis 6) mit entsprechend gleichen Bezugszeichen versehen, so daß auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente hier verzichten werden kann. 3 shows a CARS microscope 1 additionally or independently for the polarization analysis according to 1 , which performs a chiral-sensitive CARS microscopy, allows a phase-sensitive CARS microscopy. The microscope 1 of the 3 Of course, schematically illustrated, therefore, combines an interferometer arrangement to increase the resolution in the axial direction with a Raman resonance enhancement of a CARS process for molecular recognition. The basis 1 Pictured microscope corresponding components are in the representation of 3 (as well as in the 4 to 6 ) provided with the same reference numerals, so that can be dispensed with a repeated description of these elements here.

Das CARS-Mikroskop 1 der 3 ist in Abweichung zum Mikroskop der 1 weiter als epi-CARS-Anordnung ausgebildet, d. h. die Pump- und Stokes-Strahlung 3, 5 wird als überlagerte Strahlung 27 in eine Probe 11 fokussiert und die CARS-Strahlung 16 wird entgegen der Einstrahlungsrichtung durch Verwendung eines dichroitischen Strahlteilers 28 durch dasselbe Objektiv 9 aufgesammelt, das auch die Beleuchtung bewirkt. Wesentlich für das phasensensitive CARS-Mikroskop 1 der 3 ist eine Referenzquelle 26, die zur überlagerten Strahlung 27 und damit auch zur CARS-Strahlung 16 phasengekoppelte Referenz-Strahlung bereit stellt. Auf deren Bedeutung wird später noch eingegangen. Im wesentlichen wird dabei das Prinzip verwendet, wie es in der Veröffentlichung, Dubois F. et al, Applied Optics, 1 December 1999, Vol. 38, Nr. 34, S. 7085-7094, beschrieben ist.The CARS microscope 1 of the 3 is contrary to the microscope 1 further formed as an epi-CARS arrangement, ie the pump and Stokes radiation 3 . 5 is called superimposed radiation 27 in a sample 11 focused and the CARS radiation 16 is opposite to the irradiation direction by using a dichroic beam splitter 28 through the same lens 9 collected, which also causes the lighting. Essential for the phase-sensitive CARS microscope 1 of the 3 is a reference source 26 that contribute to the superimposed radiation 27 and thus also to CARS radiation 16 provides phase-locked reference radiation. Their importance will be discussed later. Essentially, the principle is used as described in the publication, Dubois F. et al., Applied Optics, 1 December 1999, Vol. 38, No. 34, pp. 7085-7094.

Zur Bilderzeugung wird die überlagerte Strahlung 27, d.h. die kollineare Kombination aus Pump-Strahlung 3 und Stokes-Strahlung 5 mittels eines Scanners 29, der zwei Scanspiegel 31, 32 aufweist, abgelenkt, so daß der Fokus 12 scannend über die Probe geführt wird. In Rückrichtung bewirkt der Scanner 29 automatisch ein De-Scannen, so daß am Strahlteiler 28 ein ruhender Strahl der CARS-Strahlung 16 transmittiert wird. Dieser CARS-Strahlung 16 wird an einem weiteren dichroitischen Spiegel 33 Referenz-Strahlung 34 aus der Referenzquelle 26 überlagert, so daß dann eine interferierende Strahlung 35 vorliegt, die mittels der Detektoroptik 24 auf einen als CCD-Detektor 47 ausgebildeten Detektor gerichtet wird.For imaging, the superimposed radiation 27 ie the collinear combination of pump radiation 3 and Stokes radiation 5 by means of a scanner 29 , the two scanning mirrors 31 . 32 has, distracted, so that the focus 12 scanned over the sample. In return, the scanner causes 29 automatically de-scanning, so that the beam splitter 28 a static beam of CARS radiation 16 is transmitted. This CARS radiation 16 becomes at another dichroic mirror 33 Reference radiation 34 from the reference source 26 superimposed, so that then an interfering radiation 35 present, by means of the detector optics 24 on one as a CCD detector 47 trained detector is directed.

Die Referenz-Strahlung 34 wird von der Referenzquelle 26 in der Ausführungsform der 3 durch einen optisch-parametrischen Prozeß bereitgestellt, so daß die Strahlung des gepulst betriebenen Pump-Lasers 2, des ebenfalls gepulst betriebenen Stokes-Lasers 4 und mithin auch die gepulste CARS-Strahlung 16 phasengekoppelt zur ebenfalls gepulst vorliegenden Referenz-Strahlung 34 ist.The reference radiation 34 is from the reference source 26 in the embodiment of the 3 provided by an optical parametric process so that the radiation of the pulsed pump laser 2 , also operated pulsed Stokes laser 4 and therefore also the pulsed CARS radiation 16 phase-coupled to the likewise pulsed reference radiation 34 is.

Die Phasenkopplung zwischen CARS-Strahlung 16 und Referenz-Strahlung 34 realisiert eine heterodyne interferometrische Detektion der beiden Felder. Die detektierte Intensität bei einer kollinearen Überlagerung der beiden Strahlen ist ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen CARS-Signal und Referenz-Strahlung und spiegelt hierdurch eine Veränderung im Brechungsindex in der lateralen Bildebene mit einer interferometrischen Auflösung in axialer Richtung wieder. Somit ist die Kombination einer Abbildung der lateralen Ebene einer Probe mit interferometrischer Auflösung zusammen mit der molekularen Erkennung anhand der Raman-Resonanzverstärkung eines CARS-Prozesses erreicht.The phase coupling between CARS radiation 16 and reference radiation 34 realizes a heterodyne interferometric detection of the two fields. The detected intensity with a collinear superposition of the two beams is a measure of the phase shift between the CARS signal and reference radiation and thereby reflects a change in the refractive index in the lateral image plane with an interferometric resolution in the axial direction. Thus, the combination of an imaging of the lateral plane of a sample with interferometric resolution along with molecular recognition based on the Raman resonance enhancement of a CARS process is achieved.

Zur Erzeugung der Referenz-Strahlung 34 kann anstelle einer externen, phasengekoppelten Referenzquelle 26 auch die Pump- und Stokes-Strahlung 3, 5 verwendet werden. Dies zeigt exemplarisch die 4. Hierbei wird am Strahlteiler 28 die überlagerte Strahlung 27 nicht nur teilweise in Richtung der Probe 11 umgelenkt, sondern ein Teil passiert den Strahlteiler 28 und fällt durch eine Linse 36 in ein Ramanmedium 37. In diesem Ramanmedium 37 wird ein separater CARS-Prozeß eingeleitet, dessen CARS-Strahlung von einer Linse 38 aufgenommen und über einen Retroreflektor 39 mit mechanischem Meßtisch als Verzögerungseinheit sowie einen variablen Abschwächer 40 als Referenz-Strahlung 34 wiederum den dichroitischen Spiegel 33 zugeführt. Da die Referenz-Strahlung 34 also aus einem weiteren CARS-Prozeß stammt, ist automatisch Phasenkopplung zur CARS-Strahlung 16 sichergestellt. Durch Scannen der Verzögerungseinheit kann das Interferenzmuster zwischen Referenz-Strahlung und CARS-Strahlung in der Zeitdomäne aufgenommen und durch Fourier-Transformation erhalten werden. Hierdurch kann die Schwankung in der Phasenbeziehung der Laser und Referenz kompensiert werden, die ansonsten zu einer Verminderung der Ortsauflösung führen würden.To generate the reference radiation 34 can instead of an external, phase-locked reference source 26 also the pump and Stokes radiation 3 . 5 be used. This shows exemplarily the 4 , This is done at the beam splitter 28 the superimposed radiation 27 not just partially towards the sample 11 but a part passes the beam splitter 28 and falls through a lens 36 in a Raman medium 37 , In this Raman medium 37 a separate CARS process is initiated with its CARS radiation from a lens 38 taken and a retroreflector 39 with me chanical measuring table as a delay unit and a variable attenuator 40 as reference radiation 34 again the dichroic mirror 33 fed. Because the reference radiation 34 Thus comes from another CARS process, is automatically phase coupling to CARS radiation 16 ensured. By scanning the delay unit, the interference pattern between reference radiation and CARS radiation in the time domain can be recorded and obtained by Fourier transformation. As a result, the fluctuation in the phase relationship of the laser and reference can be compensated, which would otherwise lead to a reduction of the spatial resolution.

Die 5 und 6 zeigen weitere interferometrische Aufbauten, hier jedoch in nicht-kollinearer Anordnung, wie sie in der bereits eingangs genannten und hier in ihrem Offenbarungsgehalt vollumfänglich einbezogenen Veröffentlichung von Heinrich et al. beschrieben ist. In Abweichung zur Bauweise der 3 und 4 wird hier nun die Pump-Strahlung 3 über einen Umlenkspiegel 41 sowie einen Dunkelfeldkondensor 42 von unten in die Probe 11 eingestrahlt. Zwei nicht-kollineare Pump-Strahlungspulse erzeugen damit ein Phasengitter, das von einem durch das Objektiv 9 ausgeweiteten Puls der Stokes-Strahlung 5 abgetastet wird. Im Ergebnis entsteht eine aufgeweitete CARS-Strahlung 16. 5 zeigt ebenso wie die 6 lediglich die Strahlhauptachsen. Die Überlagerung mit phasengekoppelter Referenz-Strahlung 34 aus einer Referenzquelle 26 mittels eines dichroitischen Spiegels 33 führt wiederum zur interfeteormetrischen Bildgebung am CCD-Detektor 47. Der Unterschied zwischen den 5 und 6 ist analog zu den 3 und 4 wieder darin zu sehen, daß in 5 ein externer optisch-parametrischer Oszillator als Referenzquelle 26 verwendet wird, wohingegen in 6 (wie auch in 4) die Referenz-Strahlung 34 durch einen weiteren CARS-Prozeß direkt aus der Pump-Strahlung 3 und der Stokes-Strahlung 5 erzeugt wird.The 5 and 6 show other interferometric structures, but here in a non-collinear arrangement, as described in the already mentioned in the introduction and here in its disclosure content publication of Heinrich et al. is described. In deviation to the construction of the 3 and 4 here is the pump radiation 3 via a deflection mirror 41 and a darkfield condenser 42 from below into the sample 11 irradiated. Two non-collinear pump radiation pulses thus generate a phase grating, that of one through the lens 9 extended pulse of Stokes radiation 5 is scanned. The result is an expanded CARS radiation 16 , 5 shows as well as the 6 only the main beam axes. The superposition with phase-locked reference radiation 34 from a reference source 26 by means of a dichroic mirror 33 again leads to interfeteormetric imaging at the CCD detector 47 , The difference between the 5 and 6 is analogous to the 3 and 4 again to see that in 5 an external optical parametric oscillator as a reference source 26 is used, whereas in 6 (as well as in 4 ) the reference radiation 34 by another CARS process directly from the pump radiation 3 and the Stokes radiation 5 is produced.

Claims (10)

CARS-Mikroskop mit mindestens einer Pump-Strahlung (3) abgebenden Pump-Laserquelle (2) und einer Stokes-Strahlung (5) abgebenden Stokes-Laserquelle (4), einer Probenbeleuchtungseinrichtung (6, 10), die Pump- und Stokes-Strahlung (3, 5) in einen Probenraum (11) fokussiert, und einem Detektor (25), der durch einen CARS-Prozess im Probenraum (11) emittierte CARS-Strahlung (16) detektiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenbeleuchtungseinrichtung (6, 10) eine Polarisatoreinheit (7) aufweist, welche Pump- und Stokes-Strahlung (3, 5) linear und parallel zueinander polarisiert, und daß dem Detektor (25) eine Polarisationsanalysatoreinheit (22) vorgeordnet ist, die eine ellipsometrische Analyse der CARS-Strahlung (16) durchführt.CARS microscope with at least one pump radiation ( 3 ) emitting pump laser source ( 2 ) and a Stokes radiation ( 5 ) emitting Stokes laser source ( 4 ), a sample illumination device ( 6 . 10 ), pumping and Stokes radiation ( 3 . 5 ) in a sample room ( 11 ) and a detector ( 25 ) by a CARS process in the sample room ( 11 ) emitted CARS radiation ( 16 ), characterized in that the sample illumination device ( 6 . 10 ) a polarizer unit ( 7 ), which pump and Stokes radiation ( 3 . 5 ) polarized linearly and parallel to each other, and that the detector ( 25 ) a polarization analyzer unit ( 22 ), which is an ellipsometric analysis of the CARS radiation ( 16 ). Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenbeleuchtungseinrichtung (6, 10) Pump- und Stokes-Strahlung (3, 5) in Überlagerung bringt und danach die Polarisatoreinheit (7) die lineare Polarisierung der überlagerten Strahlung bewirkt.Microscope according to claim 1, characterized in that the sample illumination device ( 6 . 10 ) Pump and Stokes radiation ( 3 . 5 ) and then the polarizer unit ( 7 ) causes the linear polarization of the superimposed radiation. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsanalysatoreinheit (22) elliptisch polarisierte Anteile der CARS-Strahlung (16) in linear polarisierte Strahlung (23) umwandelt, wobei die Polarisationsrichtung unabhängig von der elliptischen Polarisation einstellbar ist.Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the polarization analyzer unit ( 22 ) elliptically polarized portions of CARS radiation ( 16 ) into linearly polarized radiation ( 23 ), wherein the polarization direction is adjustable independently of the elliptical polarization. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsanalysatoreinheit (22) eine Reihenschaltung aus Lambda/4-Element (17) und linearem Polarisationsfilter (21) aufweist, vorzugsweise mit zwischengeschaltetem Lambda/2-Element (19).Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the polarization analyzer unit ( 22 ) a series connection of lambda / 4-element ( 17 ) and linear polarization filter ( 21 ), preferably with an interposed lambda / 2 element ( 19 ). Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoreinheit (7), der lineare Polarisationsfilter (21) und, soweit vorhanden, auch das Lambda/2-Element (19) hinsichtlich ihrer für die Polarisation wirksamen Richtung verstellbar sind.Microscope according to claim 4, characterized in that the polarizer unit ( 7 ), the linear polarizing filter ( 21 ) and, if present, the lambda / 2 element ( 19 ) are adjustable in terms of their direction of polarization effective. Mikroskop nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Steuergerät, das die Polarisationseinheit (7), den linearen Polarisationsfilter (21) und, soweit vorhanden, auch das Lambda/2-Element (19) ansteuert und diese hinsichtlich ihrer für die Polarisation wirksamen Richtung einstellt.Microscope according to claim 5, characterized by a control unit which controls the polarization unit ( 7 ), the linear polarizing filter ( 21 ) and, if present, the lambda / 2 element ( 19 ) and adjusts them with respect to their direction of polarization effective. CARS-Mikroskop mit mindestens einer Pump-Strahlung (3) abgebenden Pump-Laserquelle (2) und einer Stokes-Strahlung (5) abgebenden Stokes-Laserquelle (4), einer Probenbeleuchtungseinrichtung (6, 10), die Pump- und Stokes-Strahlung (3, 5) in einen Probenraum (11) fokussiert, und einem Detektor (25), der durch einen CARS-Prozess im Probenraum (11) emittierte CARS-Strahlung (16) detektiert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (26) zur Erzeugung einer Referenz-Strahlung (34), die zur Pump- und zur Stokes-Strahlung (3, 5) phasengekoppelt ist, und Mittel (33) zur interferometrischen Überlagerung der Referenz-Strahlung (34) mit der CARS-Strahlung (16) am Detektor (25).CARS microscope with at least one pump radiation ( 3 ) emitting pump laser source ( 2 ) and a Stokes radiation ( 5 ) emitting Stokes laser source ( 4 ), a sample illumination device ( 6 . 10 ), pumping and Stokes radiation ( 3 . 5 ) in a sample room ( 11 ) and a detector ( 25 ) by a CARS process in the sample room ( 11 ) emitted CARS radiation ( 16 ), characterized by a device ( 26 ) for generating a reference radiation ( 34 ), which contribute to the pumping and Stokes radiation ( 3 . 5 ) is phase-locked, and means ( 33 ) for the interferometric superimposition of the reference radiation ( 34 ) with the CARS radiation ( 16 ) at the detector ( 25 ). Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26) zur Erzeugung der Referenz-Strahlung (34) die Referenz-Strahlung (34) einen optisch-parametrischen Oszillator aufweist.Microscope according to claim 7, characterized in that the device ( 26 ) for generating the reference radiation ( 34 ) the reference radiation ( 34 ) has an optical parametric oscillator. Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26) zur Erzeugung der Referenz-Strahlung (34) aus der überlagerten Pump- und Stokes-Strahlung (3, 5) erzeugt.Microscope according to claim 7, characterized in that the device ( 26 ) for generating the reference radiation ( 34 ) from the superimposed pump and Stokes radiation ( 3 . 5 ) generated. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Scannereinrichtung (29), die den Probenraum (11) mit überlagerter Pump- und Stokes-Strahlung (3, 5) abscannt und CARS-Strahlung (16) abscannend aufnimmt.Microscope according to one of the preceding claims, characterized by a scanner device ( 29 ), the sample space ( 11 ) with superimposed pump and Stokes radiation ( 3 . 5 ) and CARS radiation ( 16 ) absorbs.
DE200510044422 2005-09-16 2005-09-16 Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation Withdrawn DE102005044422A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510044422 DE102005044422A1 (en) 2005-09-16 2005-09-16 Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510044422 DE102005044422A1 (en) 2005-09-16 2005-09-16 Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102005044422A1 true DE102005044422A1 (en) 2007-03-29

Family

ID=37832426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200510044422 Withdrawn DE102005044422A1 (en) 2005-09-16 2005-09-16 Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102005044422A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009053306A1 (en) * 2009-11-12 2011-05-26 Ben-Gurion University Of The Negev Method for producing excitation radiation for multi species analyzing of e.g. drugs in forensic medicine, involves combining and emitting converted radiations of partial radiation beams as excitation radiations to sample
DE102010015964A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 Leica Microsystems Cms Gmbh Apparatus and method for multimodal imaging in nonlinear Raman microscopy
DE202011001569U1 (en) * 2011-01-14 2012-03-01 Berthold Technologies Gmbh & Co. Kg Device for measuring optical properties in microplates
EP2096430A3 (en) * 2008-02-27 2013-02-20 Gwangju Institute of Science and Technology Apparatus and method for obtaining images using coherent anti-stokes Raman scattering
WO2017199211A1 (en) * 2016-05-20 2017-11-23 Leibniz-Institut Für Photonische Technologien E.V. Laser microscope with ablation function
US11578350B2 (en) 2010-06-09 2023-02-14 Celltool Gmbh Apparatus for characterizing biological objects

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6108081A (en) * 1998-07-20 2000-08-22 Battelle Memorial Institute Nonlinear vibrational microscopy
US6798507B2 (en) * 2001-07-03 2004-09-28 President And Fellows Of Harvard College System and method for polarization coherent anti-stokes Raman scattering microscopy
US20050168735A1 (en) * 2003-01-24 2005-08-04 Boppart Stephen A. Nonlinear interferometric vibrational imaging

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6108081A (en) * 1998-07-20 2000-08-22 Battelle Memorial Institute Nonlinear vibrational microscopy
US6798507B2 (en) * 2001-07-03 2004-09-28 President And Fellows Of Harvard College System and method for polarization coherent anti-stokes Raman scattering microscopy
US20050168735A1 (en) * 2003-01-24 2005-08-04 Boppart Stephen A. Nonlinear interferometric vibrational imaging

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHENG,Ji-Xin,XIE,Sunney X.: Coherent Anti-Stokes Scattering Microscopy: Instrumentation, Theory, and Application. In: J.Phys.Chem.B2004,108, S.827-840 *
CHENG,Ji-Xin,XIE,Sunney X.: Coherent Anti-Stokes Scattering Microscopy: Instrumentation, Theory, and Application. In: J.Phys.Chem.B2004,108, S.827-840;
HEINRICH,Christoph,et.al.: Wide-field coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. In: Applied Physics Letters,Vol.84,No.5,S.816- S.818 *
HEINRICH,Christoph,et.al.: Wide-field coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. In: Applied Physics Letters,Vol.84,No.5,S.816- S.818;
QUDAR,Jean-Louis,et.al.: Polarization-sensitive coherent anti-Stokes Raman spectroscopy. In: Appl.Phys.Lett.,1979,Vol.34,No.11,S.758-760 *
QUDAR,Jean-Louis,et.al.: Polarization-sensitive coherent anti-Stokes Raman spectroscopy. In: Appl.Phys.Lett.,1979,Vol.34,No.11,S.758-760;
VINEGONI,Claudio,et.al.: Nonlinear optical contrast enhancement for optical coherence tomography. In: Optics Express,2004,Vol.12,No.2,S.331-341 *
VINEGONI,Claudio,et.al.: Nonlinear optical contrast enhancement for optical coherence tomography. In: Optics Express,2004,Vol.12,No.2,S.331-341;

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2096430A3 (en) * 2008-02-27 2013-02-20 Gwangju Institute of Science and Technology Apparatus and method for obtaining images using coherent anti-stokes Raman scattering
DE102009053306A1 (en) * 2009-11-12 2011-05-26 Ben-Gurion University Of The Negev Method for producing excitation radiation for multi species analyzing of e.g. drugs in forensic medicine, involves combining and emitting converted radiations of partial radiation beams as excitation radiations to sample
DE102009053306B4 (en) * 2009-11-12 2017-12-14 Ben-Gurion University Of The Negev Method and device for generating an excitation radiation and device for analyzing a sample
DE102010015964A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 Leica Microsystems Cms Gmbh Apparatus and method for multimodal imaging in nonlinear Raman microscopy
US8488118B2 (en) 2010-03-15 2013-07-16 Leica Microsystems Cms Gmbh Apparatus and method for multi-modal imaging in nonlinear raman microscopy
US11578350B2 (en) 2010-06-09 2023-02-14 Celltool Gmbh Apparatus for characterizing biological objects
DE202011001569U1 (en) * 2011-01-14 2012-03-01 Berthold Technologies Gmbh & Co. Kg Device for measuring optical properties in microplates
WO2017199211A1 (en) * 2016-05-20 2017-11-23 Leibniz-Institut Für Photonische Technologien E.V. Laser microscope with ablation function
US11262312B2 (en) 2016-05-20 2022-03-01 Leibniz-Institut Fur Photonische Technologien E.V. Laser microscope with ablation function

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0618439B1 (en) Imaging optical device for examination of strongly scattering media
EP2192400B1 (en) Optical evaluation method by means of laser pulses and corresponding apparatus
EP2366992B1 (en) Device and method for multimodal imaging in non-linear raman microscopy
EP0195039B1 (en) Measurement arrangement for analysing electromagnetic radiation
DE102007024075B4 (en) Tunable acousto-optic filter element, adjustable light source, microscope and acousto-optic beam splitter
DE10228374A1 (en) Microscopy method and microscope
DE112014002748T5 (en) Spectrally encoded high-absorbance polarizing microscope
EP3411680B1 (en) Miniature spectrometer and method for switching a miniature spectrometer between imaging mode and spectrometer mode
EP3042232B1 (en) Scanning microscope and main beam splitter for scanning microscope
DE102005044422A1 (en) Coherent anti-stroke Raman scattering-microscope for detecting symmetry of e.g. protein, has illuminating device polarizing pump and stroke radiation, and polarization analyzer executing ellipsometric analysis of scattering radiation
WO2015032820A1 (en) Microscope and acousto-optic beam combiner for a microscope
EP2516992A1 (en) Luminescence microscopy
DE10227111B4 (en) Spectral microscope and method for data acquisition with a spectral microscope
DE102015001032A1 (en) Raman spectroscopy illumination and readout system
DE112015006288T5 (en) Optical measuring device and optical measuring method
EP1384104A2 (en) Device and method for the optical measurement of chemical and/or biological samples
DE112017008083B4 (en) FAR INFRARED LIGHT SOURCE AND FAR INFRARED SPECTROMETER
DE102008019957A1 (en) Method for irradiating sample with light in stimulated emission depletion-fluorescent light microscope, involves synchronizing polarizations of input light beams to beam splitter such that partial beams interferes in common focus point
DE102013112750B4 (en) Device and method for illuminating a sample
DE102006039425B4 (en) Arrangement for an optical system for polarization-dependent time-resolved optical spectroscopy, optical measuring system and method for polarization-dependent spectroscopic examination of measuring light
DE102007011820A1 (en) Terahertz-imaging method for characterizing e.g. humidity ratio of sample, involves measuring terahertz pulse under phase position that is relatively constant to phase difference that is caused by different optical path through sample
EP3035034B1 (en) Assembly for the detection of reflection anisotropy
DE2822739C3 (en) Measuring device for the spectroscopic investigation of polyatomic molecules
DE19748458C1 (en) Ultra-short light pulse generation device for spectrometer
DE102015001033A1 (en) High-throughput screening system for performing optical measurements

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20120807

R082 Change of representative

Representative=s name: GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.B.R.), DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: CARL ZEISS MICROSCOPY GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: CARL ZEISS JENA GMBH, 07745 JENA, DE

Effective date: 20121128

R082 Change of representative

Representative=s name: GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.B.R.), DE

Effective date: 20121128

Representative=s name: PATENTANWAELTE GEYER, FEHNERS & PARTNER MBB, DE

Effective date: 20121128

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee