WO2003060610A1 - Methods and systems for microscopic imaging - Google Patents

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WO2003060610A1
WO2003060610A1 PCT/EP2003/000335 EP0300335W WO03060610A1 WO 2003060610 A1 WO2003060610 A1 WO 2003060610A1 EP 0300335 W EP0300335 W EP 0300335W WO 03060610 A1 WO03060610 A1 WO 03060610A1
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absorption
light
light source
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PCT/EP2003/000335
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Ralf Wolleschensky
Michael Kempe
Magued B. Nasr
Ayman F. Abouraddy
Mark C. Booth
Bahaa E. A. Saleh
Malvin C. Teich
Alexander V. Sergienko
Original Assignee
Carl Zeiss Jena Gmbh
Trustees Of Boston University A Massachusetts Corporation
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    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
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    • G02B21/002Scanning microscopes
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70375Multiphoton lithography or multiphoton photopolymerization; Imaging systems comprising means for converting one type of radiation into another type of radiation

Definitions

  • the invention presented here relates to methods and arrangements which are based on multiphoton absorption with improved spatial resolution and with which the lateral and also the axial resolution of known optical arrangements is exceeded.
  • the invention can be used, inter alia, in lithography and for writing and reading optical memories.
  • light is used to locally change the properties of a material that is used to store information in an optical memory
  • an optical memory publication: Y. Kawata, H. Ishitobi, and S. Kawata, "Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three-dimensional optical memory, "Opt. Lett., volume. 23, No. 10, pages 756-758, 1998].
  • the excitation of the endogenous or exogenous fluorophores within the object or the modification of the object by light usually takes place through the absorption of photons in a single step (one photon is required per excited molecule) - the linear sorption; or in a multi-stage process (the quasi-simultaneous absorption of at least two photons per excited molecule is required) - the non-linear absorption.
  • a peak intensity of the excitation light is required at the site of the interaction in order to achieve a sufficient degree of absorption.
  • Such high peak intensities can often only be achieved by using short-pulse laser radiation for excitation, combined with a strong focus of the light. Due to the high peak values, fading and damage to sensitive objects (e.g. due to photoelectric dissociation or plasma generation) are a common problem in multi-photon fluorescence microscopy. This disadvantage is ultimately due to the random nature of the impingement of photons from classic light sources (e.g. incandescent lamps or lasers), so that two or more photons are less likely to arrive simultaneously within the absorption cross-section of the medium that is to be excited.
  • classic light sources e.g. incandescent lamps or lasers
  • the object of the invention is to further develop methods of the type described in the introduction, in particular methods in connection with laser scan microscopy and spectroscopy, in such a way that an improved spatial resolution compared to the prior art is achieved. Furthermore, it is an object of the invention to provide suitable arrangements for carrying out these methods.
  • N 2.3-n, such as pairs, groups of three, groups of four, etc., focused on a point on the sample become.
  • the N-fold photons can be correlated in time and space.
  • Light sources which generate entangled photons or squeezed photons are advantageously used.
  • the arrangement according to the invention can preferably be a microscopic arrangement consisting of a laser scanning microscope with object or beam scanning.
  • the invention further includes methods and arrangements in which a source of non-classically generated, collinearly emitted photons is located in or near a telecentric plane of the illumination beam path of the microscope.
  • the absorption can be a multiphoton absorption which comprises the absorption of at least two photons per molecule of the fluorophore to be excited.
  • the invention also includes the use of the proposed new methods and arrangements in lithography, in which the multiphoton absorption takes place in a photoresist and changes the structure of the material.
  • this includes the use of multi-photon absorption for writing to an optical memory.
  • the invention also includes those methods and arrangements in which the light source consists of at least one nonlinear crystal in which a frequency conversion of pumped photons into entangled photons takes place.
  • the subject matter of the invention further includes configurations in which multiple passes through the crystal (s) are used, - an amplification of the pairs generated by the crystal is used, the amplification of the pairs generated by the first pass through the crystal by focusing the beam onto the second pass through the crystal, there is a source of non-classically generated, collinearly emitted photons in or near the pupil plane of the objective lens that images the sample, this plane coincides with the primary telecentric plane of the illuminating beam path, the light source is inside the housing of the Objective lenses, - the light source is in a different telecentric plane than the primary telecentric plane, the light source is in a telecentric plane in front of the optical elements that are responsible for scanning the sample by the beam, a spectroscopic Un tersuchung of samples with high spatial resolution on the basis of the fluorescence excitation is carried out by non-classical light and a source, not classically generated collinearly emitted photons is in or close to a telecentric plane of the
  • the resolution in a confocal arrangement corresponds to a CLSM with linear absorption of light of the wavelength ⁇ divided by N.
  • the wavelength ⁇ is decisive for the resolution.
  • the advantages of the non-linear absorption of light of the wavelength ⁇ compared to the linear absorption of light with a wavelength of ⁇ / N when using the CLSM lie in a greater depth of penetration, less scattering and simplified optics.
  • the degree of absorption depends linearly on the light intensity, so a continuous light source of medium power (radiation power) is sufficient for an effective multiphoton absorption. This fact reduces the complexity and cost of the light source required. In addition, the disadvantages associated with high peak intensities for the sample can be avoided. This extends the application of the MPFM to samples that are sensitive to damage and fading. Furthermore, the use of non-classical light, such as entangled photons, enables novel spectroscopic methods which, in conjunction with the optical arrangement described in this invention, allow detailed information about the sample to be obtained with high spatial resolution.
  • non-classical light means light with special photon statistics. Such a non-classical light source generates N photons that are correlated in time and space.
  • One of the objects of this invention is to demonstrate methods and arrangements by which the path from N photons to the sample is designed to unite at one point in the sample and to act simultaneously through an N photon absorption process.
  • Non-classical light can pass through the process of spontaneous parametric frequency conversion (SPDC) in a nonlinear crystal such as /? - barium borate (BBO) or lithium niobate (LN).
  • SPDC spontaneous parametric frequency conversion
  • BBO barium borate
  • LN lithium niobate
  • Non-classical light can also be generated by squeezing in an optical parametric amplifier (OPA) or oscillator (OPO).
  • OPA optical parametric amplifier
  • OPO oscillator
  • microscopy and spectroscopy with entangled photons have been described in US Pat. No. 5,796,477 [MC Teich and BEA Saleh, "Entangled-photon microscopy, spectroscopy, and imaging”].
  • An overview of the generation and behavior of squeezed light can be found in Ml Kolobov, "The spatial behavior of nonclassical light," Reviews of Modern Physics, Volume 71, No. 5, pages 1539-1589 (1999).
  • the key task of the optical arrangement for the excitation of the sample is to ensure that the N correlated photons of the non-classical light source arrive at a diffraction-limited point of the sample with a full numerical aperture of the objective lens. Often some or all of the N photons of the non-classical light source are emitted collinearly. In this case, and in one of the configuration variants for the optical configuration, the source of the non-classical light is close to the rear focal plane of the objective lens, which focuses in the sample. This level coincides with the primary telecentric level of the microscope's illumination beam path. The fluorescence emitted as a result of the absorption of photon pairs is imaged on a detector, the signal of which is processed electronically.
  • the receiver device could be a confocal arrangement using a point detector.
  • non-confocal measurement is possible using a large area detector (ie the receiver area is much larger than the point wash function in the receiver plane).
  • the sample is scanned by the excitation beam, then the processing and display of the receiver signal follows, as is known in laser scan microscopy.
  • the entangled photon source is placed near a plane that is conjugated to the primary telecentric plane of the microscope's illumination beam path. In this case, more complex configurations of the source can be implemented.
  • Such a source of entangled photons can, for example, be in a conjugate telecentric plane of a standard CLSM.
  • Another design variant contains elements for creating an optical delay between the photons that form a pair. Such an optical delay can be between the source and the objective lens and enables the investigation of spectroscopic properties of a sample with high spatial resolution.
  • Fig. Lb the schematic representation of an N-photon absorption process by S real or virtual states from energy level E ⁇ to E 2 ,
  • FIG. 2 shows the schematic representation of the fluorescence excitation, which according to the invention is based on the classic two-photon absorption (left) or on the absorption of entangled photons (right)
  • FIG. 3 shows a diagram of the basic optical focusing configuration according to the invention using the in Description of the notation used
  • Figure 4 is a diagram (not classical) stimulating the axial course of the excitation of the strigränk ⁇ th photon in comparison to the two-photon (TP) (classic) shows 5 shows a diagram which shows the lateral course of the excitation of the entangled photons (non-classical) in comparison to the two-photon (TP) excitation (classical)
  • FIG. 6 shows a diagram showing the depth discrimination of the microscope of entangled photons with confocal reception compared to one
  • FIG. 7 shows a diagram in which a preferred configuration of the microscope of entangled photons is shown
  • FIG. 8 shows a diagram in which a further preferred configuration of the microscope of entangled photons is shown
  • FIG. 9 shows a diagram in which a preferred variant of the microscope of entangled photons with elements for the use of spectroscopic contrast information is shown.
  • the present invention makes use of the difference between the absorption in a classic light source and that in a non-classic light source, such as e.g. entangled photons in a focused beam.
  • 1a shows the temporal statistical properties of a non-classical light source that generates correlated photons compared to a classical light source.
  • a classic light source emits an arbitrary number of photons that follow a statistical distribution dependent on the light source, while a non-classical light source emits an N times the number at arbitrary times.
  • Fig.lb shows an N-photon absorption process between the energy levels E ⁇ and E.
  • the intermediate states S can be virtual energy states or real states.
  • G 2) (x, z ,, t; x, z 2 , t) is the probability of measuring a pair of photons at space-time points (x, z, t and (x 2 , z 2 , t_)
  • E o (xj ⁇ ) and E ⁇ (x;, ⁇ ) are the scaled electrical fields in the object and image plane, respectively, and h (x jt x o ; ⁇ ) is the system's amplitude point blurring function between the image - and Ob / e / febene.
  • the optical system shown in FIG. 3 is used for focusing in both cases - the classic excitation and the excitation with entangled photons.
  • the scheme according to the invention illustrates a simple lighting arrangement with a non-classical light source in a telecentric plane.
  • the amplitude point blurring function is [publication: JW Goodman, Introduction to Fourier Optics, Chapter 6, McGraw-Hill, New York, 1968]
  • is the wavelength of the monochromatic, scalar electric field, / is the focal length of the lens and d is the distance between the telecentric (object) plane and the lens.
  • the pupil function of the lens aperture p (x) is assumed to be rectangular and with the width A. It should be noted that this is the amplitude point blurring function for a one-dimensional optical system (in the transverse direction), therefore the proportionality constant of
  • Probe reacts to the arrival of a pair of photons on only one
  • x c and z c are the characteristic lengths in the transverse and axial directions, respectively.
  • the width of the excitation curve in the transverse and axial directions is proportional to these values.
  • Probe reacts to the arrival of a pair of photons on only one
  • a spectral filter of very narrow bandwidth the center frequency of which coincides with the frequency of the degenerate photons, is placed behind the crystal, so that only degenerate photons contribute to the excitation of the sample.
  • G (2 ( ⁇ datez; xi, z), abbreviated as G (2) (x u z) for the sake of simplicity, is calculated with
  • Fig. 4 shows the normalized axial course for the classic two-photon excitation (solid line) and excitation by entangled photons (dotted line). 5 shows the same curves for the transverse course.
  • optical cuts also known as depth discrimination. It can be described as the response of the system to the scanning of a thin, laterally homogeneous, fluorescent layer by the focus. In contrast to classic two-photon excitation, the excitation, which uses non-classic light, does not provide any optical cuts.
  • the depth differentiation can be achieved by adding a confocal receiver unit analogous to single-photon excitation in a CLSM.
  • the behavior is
  • a system that uses non-classical light of wavelength 2 ⁇ as excitation via a focusing arrangement according to the invention described here behaves in terms of resolution like a system with single-photon fluorescence excitation of half the wavelength (i.e. ⁇ ).
  • the former system provides a higher resolution than a non-confocal MPFM system that uses a classic light source with a wavelength of 2 ⁇ .
  • the non-classical light source is part of the objective lens. Due to the condition of phase matching in the nonlinear crystal, a changed angle of incidence of the pump laser on the crystal has an undesirable effect on the properties of the photons generated. Therefore, such an arrangement can only be used in connection with object scanning.
  • the non-linear crystal is outside the objective lens with the possibility of double passage of the pump light through the crystal to increase the performance of the non-classical light source.
  • the nonlinear crystal must be placed near the rear focal plane of the objective lens, which is also the primary telecentric plane.
  • the collimated light of the pump laser L illuminates the sample Sa and thereby passes through a dichroic beam splitter MDB, scanning optics SO, the microscope tube lens TL and a specially developed lens for entangled photons EPO, which is shown in detail on the right-hand side.
  • the EPO consists of a light-linear crystal NLC in or near the pupil plane PP of the microscope objective O, which coincides with the primary telecentric plane PTP of the illumination.
  • a filter HPF is located between the EPO and O, which filters the wavelength hides the pump laser, but allows longer wavelengths to pass through (frequency conversion arrangement, as described in the literature).
  • the EPO elements can advantageously be installed in a lens housing of a conventional standard microscope.
  • the fluorescence excited in the sample passes through EPO, TL and SO, is reflected by the beam splitter MDB and is imaged onto the detector DE through the pinhole optics PO through a pinhole PH.
  • the non-linear optics NLC is attached outside the housing of the objective lens, the incoming light is directed there by a polarization beam splitter PBS or a dichroic beam splitter.
  • the back of the NLC is reflective, so that the pump light and the frequency-converted light are reflected back in the direction of the PBS.
  • the PBS directs the pump light back towards the laser L and directs the frequency-converted light, which is polarized at right angles to the pump light, via the lens O onto the sample Sa.
  • the detector is on the right
  • the optical system can include the scanning optics SO and the tube lens TL in both arrangements, as in FIG.
  • Fig.7a shown, or not, as shown in Fig.7b.
  • the pump light L and the frequency-converted light after having once passed through the nonlinear crystal NLC, are focused back into the nonlinear crystal NLC by a spherical mirror M.
  • the frequency-converted light After passing the PBS, the frequency-converted light is collimated by the lens L and directed to the sample, as described in Fig. 7b.
  • This configuration has the advantage that the light intensity L within the crystal is much higher due to the focusing, so that the frequency-converted photons can be amplified to increase the radiation power of the pairs of entangled photons.
  • FIG. 8 shows a standard confocal scanning arrangement with laser L, XY scanner for two mutually perpendicular scanning directions, optical transmission system RL, overview lens SO, tube lens TL, lens O, probe Sa, dichroic beam splitter MDB, pinhole optics PO, pinhole PH and detector DE , Behind the laser is a non-classical light source EPS (preferably based on frequency conversion in a non-linear crystal) with filter HPF for removing the pump light, as well as the telecentric optics CL1, CL2, in a telecentric plane of the illumination beam path.
  • EPS non-classical light source
  • the light source of a standard LSM is replaced or combined with a non-classical light source in a telecentric plane of the illumination beam path, whereby the method for the multi-photon fluorescence excitation, which is described in this invention, is used.
  • the pair-wise photons can be separated from one another and delayed from one another, as shown in FIG. 9, to enable spectroscopic examinations, as are already known.
  • the separation in the non-degenerate case, at different wavelengths of the photons of the pair can be achieved by using a suitable dichroic beam splitter, the transmission edge being between the wavelengths of the entangled photons.
  • polarization beam splitters can alternatively be used.
  • incomplete separation can be achieved by using a 50:50 beam splitter (half of the pairs per beam splitter are separated). The delay can be achieved by moving a delay unit in one strand of the arrangement.
  • FIG. 9 partially shows the arrangement described in FIG. 8, but between CL1 and CL2 are the lenses CL3 and CL4 and a dichroic mirror DC1 which directs the photons of the pair in the two different directions d1 and d2. The Both beams are then brought together again by the mirror DC2.
  • Ml is a deflecting mirror for the light beam dl. The mirror M2 deflects the light beam d2 onto a reflector RR, which can be shifted in the path length between d1 and d2 to set the delay.

Abstract

The invention relates to methods and systems that are based on multi-photon absorption with improved spatial resolution and which outstrip the lateral and also the axial resolution of known optical systems. The invention is inter alia used in lithography and for writing on and reading static optical memories. The aim of the invention is to provide an improved spatial resolution as compared to the prior art, especially for use in laser scan microscopy and spectroscopy. According to the invention, microscopic images are produced on the basis of the non-linear absorption of light. Correlated pairs of N-fold photons, N = 2, 3 n, such as pairs, groups of three, groups of four etc. are focused onto a point of a sample. The N-fold photons may be correlated in time and space.

Description

Titeltitle
Verfahren und Anordnungen zur mikroskopischen AbbildungMethods and arrangements for microscopic imaging
Gebiet der Erfindung Die hier vorgestellte Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Anordnungen, die auf der Mehrphotonenabsorption mit verbesserter räumlicher Auflösung beruhen und mit denen die laterale und auch die axiale Auflösung bekannter optischer Anordnungen übertroffen wird. Die Erfindung ist unter anderem in der Lithographie und zum Beschreiben und Lesen optischer Speicher nutzbar.FIELD OF THE INVENTION The invention presented here relates to methods and arrangements which are based on multiphoton absorption with improved spatial resolution and with which the lateral and also the axial resolution of known optical arrangements is exceeded. The invention can be used, inter alia, in lithography and for writing and reading optical memories.
Stand der TechnikState of the art
Die Laser Scan Mikroskopie und die Spektroskopie zielen auf das Erhalten von dreidimensionalen Informationen über ein Objekt mit hoher räumlicher Auflösung. Unter den angewandten Abbildungsverfahren ist die Fluoreszenzabbildung in der Biowissenschaft am weitesten verbreitet. Ein klassisches Werkzeug dafür ist das konfokale Laserscanning-Mikroskop (CLSM) [Veröffentlichung dazu: J.B. Pawley, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Plenum Press, New York and London, 7995]. Für die Anregung kann entweder klassisches Laserlicht oder Licht von einer Glühlichtquelle verwendet werden.Laser scan microscopy and spectroscopy aim to obtain three-dimensional information about an object with high spatial resolution. Among the imaging techniques used, fluorescence imaging is the most common in life sciences. A classic tool for this is the confocal laser scanning microscope (CLSM) [publication: J.B. Pawley, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Plenum Press, New York and London, 7995]. Either classic laser light or light from an incandescent light source can be used for the excitation.
Bei Anwendungen zum Beispiel in der Lithographie wird Laserlicht genutzt, um die chemische Struktur eines Materials (des Photoresists) zu modifizieren. Aufgrund der hohen räumlichen Selektivität dieses Prozesses können zweidimensionale Struktu- ren im Photoresist erzeugt werden. Bei Anwendung chemischer Ätztechniken kann das Material in den Regionen, wo die chemische Struktur des Photoresists verändert wurde, modifiziert werden [Veröffentlichung dazu: T. Tanaka und S. Kawata, "Three- dimensional fabrication and three-dimensional observation by two-photon- absorption for micro-structure," Proc. SPIE, vol. 3937, pp. 92-96, 2000].In applications such as lithography, laser light is used to modify the chemical structure of a material (the photoresist). Due to the high spatial selectivity of this process, two-dimensional structures can be created in the photoresist. When using chemical etching techniques, the material can be found in the regions where the chemical structure of the photoresist changes was modified [Publication: T. Tanaka and S. Kawata, "Three-dimensional fabrication and three-dimensional observation by two-photon-absorption for micro-structure," Proc. SPIE, vol. 3937, pp. 92-96, 2000].
Bei einer anderen Anwendung wird Licht genutzt, um die Eigenschaften eines Materials, das zum Speichern von Informationen in einem optischen Speicher verwendet wird, wieder lokal zu verändern [Veröffentlichung dazu: Y. Kawata, H. Ishitobi, and S. Kawata, "Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three- dimensional optical memory," Opt. Lett., Band. 23, Nr. 10, Seiten 756-758, 1998].In another application, light is used to locally change the properties of a material that is used to store information in an optical memory [publication: Y. Kawata, H. Ishitobi, and S. Kawata, "Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three-dimensional optical memory, "Opt. Lett., volume. 23, No. 10, pages 756-758, 1998].
Die Anregung der endogenen oder exogenen Fluorophore innerhalb des Objektes oder die Modifizierung des Objektes durch Licht (d.h. die chemische Struktur des Photoresists) erfolgt gewöhnlich durch die Absorption von Photonen in einem einzigen Schritt (pro angeregtem Molekül ist ein Photon erforderlich) - der linearen Ab- sorption; oder in einem mehrstufigen Prozeß (die quasi-simultane Absorption von mindestens zwei Photonen pro angeregtem Molekül ist erforderlich) - der nichtlinearen Absorption.The excitation of the endogenous or exogenous fluorophores within the object or the modification of the object by light (ie the chemical structure of the photoresist) usually takes place through the absorption of photons in a single step (one photon is required per excited molecule) - the linear sorption; or in a multi-stage process (the quasi-simultaneous absorption of at least two photons per excited molecule is required) - the non-linear absorption.
Damit eine nichtlineare Absorption im Objekt stattfinden kann, ist eine Spitzenin- tensität des Anregungslichtes am Ort der Interaktion erforderlich, um einen ausreichenden Absorptionsgrad zu erreichen. Oft können solch hohe Spitzenintensitäten nur durch die Verwendung von Kurzpuls-Laserstrahlung zur Anregung, kombiniert mit einer starken Fokussierung des Lichtes, erreicht werden. Aufgrund der hohen Spitzenwerte sind das Ausbleichen und Schäden an empfindlichen Objekten (z.B. wegen der lichtelektrischen Dissoziation oder Plasmaerzeugung) ein häufiges Problem in der Mehrphotonen-Fluoreszenzmikroskopie. Dieser Nachteil liegt letzten Endes am Zufallscharakter des Auftreffens von Photonen klassischer Lichtquellen (z.B. Glühlampen oder Laser), so daß es wenig wahrscheinlich ist, daß zwei oder mehr Photonen innerhalb des Absorptionsquerschnittes des Mediums, das angeregt werden soll, gleichzeitig ankommen.In order for non-linear absorption to take place in the object, a peak intensity of the excitation light is required at the site of the interaction in order to achieve a sufficient degree of absorption. Such high peak intensities can often only be achieved by using short-pulse laser radiation for excitation, combined with a strong focus of the light. Due to the high peak values, fading and damage to sensitive objects (e.g. due to photoelectric dissociation or plasma generation) are a common problem in multi-photon fluorescence microscopy. This disadvantage is ultimately due to the random nature of the impingement of photons from classic light sources (e.g. incandescent lamps or lasers), so that two or more photons are less likely to arrive simultaneously within the absorption cross-section of the medium that is to be excited.
Für die Laser Scan Mikroskopie mit Einphotonenanregung ergeben sich dreidimensionale Abbildungsmögiichkeiten durch eine konfokale Anordnung, wobei die aus einem kleinen Punkt im Anregungsvolumen austretende Fluoreszenz konfokal auf einen Punktdetektor abgebildet wird. Im allgemeinen befindet sich eine Lochblende (Pinhole) vor einem Standard-Photoempfänger. In einem Mehrphotonen- Fluoreszenzmikroskop (MPFM) sorgt der nichtlineare Charakter der Anregung (d.h. die nichtlineare Abhängigkeit des Absorptionsgrades von der unmittelbaren Laserintensität) für eine Lokalisierung der Anregung, die vergleichbar (für ein Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskop - TPFM) oder sogar besser ist als die konfokale Auflö- sung ohne Verwendung einer konfokalen Empfängeranordnung.For laser scan microscopy with single-photon excitation, three-dimensional imaging possibilities result from a confocal arrangement, the fluorescence emerging from a small point in the excitation volume being confocally imaged onto a point detector. Generally there is a pinhole in front of a standard photo receiver. In a multi-photon Fluorescence microscope (MPFM), the nonlinear character of the excitation (ie the nonlinear dependence of the degree of absorption on the immediate laser intensity) ensures a localization of the excitation that is comparable (for a two-photon fluorescence microscope - TPFM) or even better than the confocal resolution without Using a confocal receiver arrangement.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren der eingangs beschriebenen Art, insbesondere Verfahren im Zusammenhang mit der Laser Scan Mikroskopie und der Spektroskopie, so weiterzuentwickeln, daß eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte räumliche Auflösung erzielt wird. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, zur Ausübung dieser Verfahren geeignete Anordnungen zu schaffen.The object of the invention is to further develop methods of the type described in the introduction, in particular methods in connection with laser scan microscopy and spectroscopy, in such a way that an improved spatial resolution compared to the prior art is achieved. Furthermore, it is an object of the invention to provide suitable arrangements for carrying out these methods.
Davon ausgehend ist erfindungsgemäß vorgesehen, mikroskopische Abbildungen auf der Grundlage nichtlinearer Absorption von Licht zu erzeugen, wobei korrelierte Paare N-facher Photonen, N = 2,3— -n, wie Paare, Dreiergruppen, Vierergruppen usw. auf einen Punkt auf der Probe fokussiert werden.Based on this, it is provided according to the invention to generate microscopic images on the basis of nonlinear absorption of light, with correlated pairs of N-fold photons, N = 2.3-n, such as pairs, groups of three, groups of four, etc., focused on a point on the sample become.
Dabei können die N-fachen Photonen zeitlich und räumlich korreliert sein.The N-fold photons can be correlated in time and space.
Vorteilhaft werden Lichtquellen genutzt, die verschränkte Photonen oder gequetschte Photonen erzeugen.Light sources which generate entangled photons or squeezed photons are advantageously used.
Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Anordnung eine mikroskopische Anordnung sein, die aus einem Laserscanning-Mikroskop mit Objekt- oder Strahlrasterung besteht.The arrangement according to the invention can preferably be a microscopic arrangement consisting of a laser scanning microscope with object or beam scanning.
Die Erfindung schließt weiterhin Verfahren und Anordnungen ein, bei denen sich eine Quelle nichtklassisch erzeugter, kollinear emittierter Photonen in oder nahe einer telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges des Mikroskops befindet.The invention further includes methods and arrangements in which a source of non-classically generated, collinearly emitted photons is located in or near a telecentric plane of the illumination beam path of the microscope.
Bei der Absorption kann es sich um eine Mehrphotonenabsorption handeln, die die Absorption von mindestens zwei Photonen pro Molekül des anzuregenden Fluoro- phors umfaßt. Die Erfindung umfaßt weiterhin auch die Anwendung der vorgeschlagenen neuen Verfahren und Anordnungen in der Lithographie, bei der die Mehrphotonenabsorption in einem Photoresist stattfindet und die Struktur des Materials verändert.The absorption can be a multiphoton absorption which comprises the absorption of at least two photons per molecule of the fluorophore to be excited. The invention also includes the use of the proposed new methods and arrangements in lithography, in which the multiphoton absorption takes place in a photoresist and changes the structure of the material.
Insbesondere ist darin die Anwendung der Mehrphotonenabsorption zum Beschreiben eines optischen Speichers eingeschlossen.In particular, this includes the use of multi-photon absorption for writing to an optical memory.
Die Erfindung schließt auch solche Verfahren und Anordnungen ein, bei denen die Lichtquelle mindestens aus einem nichtlinearen Kristall besteht, in dem eine Frequenzkonversion von gepumpten Photonen in verschränkte Photonen stattfindet.The invention also includes those methods and arrangements in which the light source consists of at least one nonlinear crystal in which a frequency conversion of pumped photons into entangled photons takes place.
Zum Gegenstand der Erfindung gehören weiterhin Ausgestaltungen, bei denen Mehrfachdurchgänge durch den/die Kristall/e genutzt werden, - eine Verstärkung der durch den Kristall erzeugten Paare genutzt wird, die Verstärkung der beim ersten Durchgang durch den Kristall erzeugten Paare durch Fokussieren des Strahls auf den zweiten Durchgang durch den Kristall erfolgt, sich eine Quelle nichtklassisch erzeugter, kollinear emittierter Photonen in oder nahe der Pupillenebene der Objektivlinse, die auf die Probe abbildet, befindet, diese Ebene mit der primären telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges zusammenfällt, sich die Lichtquelle innerhalb des Gehäuses der Objektivlinsen befindet, - sich die Lichtquelle in einer anderen telezentrischen Ebene als der primären telezentrischen Ebene befindet, sich die Lichtquelle in einer telezentrischen Ebene vor den optischen Elementen, die für das Abrastern der Probe durch den Strahl zuständig sind, befindet, eine spektroskopische Untersuchung von Proben mit hoher räumlicher Auflö- sung auf der Grundlage der Fluoreszenzanregung durch nichtklassisches Licht vorgenommen wird und sich eine Quelle nichtklassisch erzeugter, kollinear emittierter Photonen in oder nahe einer telezentrischen Ebene des Beleuch¬ tungsstrahlenganges befindet, sich hinter der Quelle nichtklassischen Lichts, innerhalb des Beleuchtungs- strahlenganges, ein Element zur Trennung der paarweisen Photonen, ein Element zur optischen Verzögerung der Photonen des Paares zueinander und ein Element zur erneuten Zusammenführung der Photonen des Paares nach der Verzögerung befinden.The subject matter of the invention further includes configurations in which multiple passes through the crystal (s) are used, - an amplification of the pairs generated by the crystal is used, the amplification of the pairs generated by the first pass through the crystal by focusing the beam onto the second pass through the crystal, there is a source of non-classically generated, collinearly emitted photons in or near the pupil plane of the objective lens that images the sample, this plane coincides with the primary telecentric plane of the illuminating beam path, the light source is inside the housing of the Objective lenses, - the light source is in a different telecentric plane than the primary telecentric plane, the light source is in a telecentric plane in front of the optical elements that are responsible for scanning the sample by the beam, a spectroscopic Un tersuchung of samples with high spatial resolution on the basis of the fluorescence excitation is carried out by non-classical light and a source, not classically generated collinearly emitted photons is in or close to a telecentric plane of the BL LEVEL ¬ tung beam path, not classical behind the source light within the Illumination beam path, an element for separating the paired photons, an element for optically delaying the photons of the pair to one another and one Element for re-combining the photons of the pair after the delay.
Mit der Erfindung wird eine dreidimensionale Auflösung erreicht, die besser ist als die, die bisher bei Verwendung eines Laserscanning-Mikroskops mit Mehrphotonenabsorption erzielt wird.With the invention, a three-dimensional resolution is achieved which is better than that which has hitherto been achieved when using a laser scanning microscope with multi-photon absorption.
Bei einem N-Photonenabsorptionsprozeß, bei dem Licht der Wellenlänge λ verwendet wird, entspricht nach der hier vorgestellten Erfindung die Auflösung bei einer konfokalen Anordnung einem CLSM mit linearer Absorption von Licht der Wellenlänge λ geteilt durch N. Im Unterschied dazu ist bei einer N-Photonenabsorption unter Verwendung bekannter mikroskopischer Anordnungen die Wellenlänge λ entscheidend für die Auflösung. Die Vorteile der nichtlinearen Absorption von Licht der Wellenlänge λ gegenüber der linearen Absorption von Licht mit einer Wellenlän- ge von λ/N bei Verwendung des CLSM liegen in einer höheren Eindringtiefe, einer geringeren Streuung und einer vereinfachten Optik.In an N-photon absorption process in which light of the wavelength λ is used, according to the invention presented here, the resolution in a confocal arrangement corresponds to a CLSM with linear absorption of light of the wavelength λ divided by N. In contrast to this, in the case of an N-photon absorption using known microscopic arrangements, the wavelength λ is decisive for the resolution. The advantages of the non-linear absorption of light of the wavelength λ compared to the linear absorption of light with a wavelength of λ / N when using the CLSM lie in a greater depth of penetration, less scattering and simplified optics.
Bei der Absorption von nichtklassischem Licht gemäß dieser Erfindung hängt der Absorptionsgrad linear von der Lichtintensität ab, also genügt eine kontinuierliche Lichtquelle mittlerer Leistung (Strahlungsleistung) für eine effektive Mehrphotonenabsorption. Diese Tatsache reduziert die Komplexität und die Kosten der erforderlichen Lichtquelle. Außerdem können die Nachteile, die hohe Spitzenintensitäten für die Probe mit sich bringen, vermieden werden. Dies erweitert die Anwendung des MPFM auch auf Proben, die empfindlich gegenüber Schäden und Ausbleichen sind. Darüber hinaus macht die Verwendung von nichtklassischem Licht, wie verschränkte Photonen, neuartige spektroskopische Verfahren möglich, die es in Verbindung mit der in dieser Erfindung beschriebenen optischen Anordnung erlauben, detaillierte Informationen über die Probe bei hoher räumlicher Auflösung zu erhalten.In the absorption of non-classical light according to this invention, the degree of absorption depends linearly on the light intensity, so a continuous light source of medium power (radiation power) is sufficient for an effective multiphoton absorption. This fact reduces the complexity and cost of the light source required. In addition, the disadvantages associated with high peak intensities for the sample can be avoided. This extends the application of the MPFM to samples that are sensitive to damage and fading. Furthermore, the use of non-classical light, such as entangled photons, enables novel spectroscopic methods which, in conjunction with the optical arrangement described in this invention, allow detailed information about the sample to be obtained with high spatial resolution.
Im Rahmen dieser Erfindung bedeutet nichtklassisches Licht Licht mit besonderer Photonenstatistik. Solch eine nichtklassische Lichtquelle erzeugt N Photonen, die zeitlich und räumlich korreliert sind. Eines der Ziele dieser Erfindung ist es, Methoden und Anordnungen aufzuzeigen, nach denen der Weg von N Photonen zur Probe so gestaltet ist, daß sie sich in einem Punkt in der Probe vereinigen und gleichzeitig über einen N-Photonenabsorptionsprozeß aufeinander einwirken. Nichtklassisches Licht kann über den Prozeß der spontanen parametrischen Frequenzkonversion (SPDC) in einem nichtlinearen Kristall wie /?-Bariumborat (BBO) oder Lithiumniobat (LN) erzeugt werden. Wenn solch ein nichtlinearer Kristall zweiter Ordnung mit einem stark kohärenten Pumplaser gepumpt wird, werden Paare aus verschränkten Photonen (Photonenpaarstrahlen) erzeugt. Das nichtlineare Material kann auch periodisch gepolt werden (z.B. PPLN), um eine höhere Wirksamkeit bei der Erzeugung verschränkter Photonen zu erzielen. Nichtklassisches Licht kann auch durch Quetschen in einem optischen parametrischen Verstärker (OPA) oder Oszillator (OPO) erzeugt werden. Die Prinzipien der Mikroskopie und Spektroskopie mit verschränkten Photonen wurden im Patent US 5, 796, 477 [M.C. Teich and B.E.A. Saleh, "Entangled-photon microscopy, spectroscopy, and imaging"] beschrieben. Ein Überblick über die Erzeugung und das Verhalten von gequetschtem Licht kann in M.l. Kolobov, "The spatial behavior of nonclassical light," Reviews of Modern Physics, Band 71, Nr. 5, Seiten 1539-1589 (1999) gefunden werden.In the context of this invention, non-classical light means light with special photon statistics. Such a non-classical light source generates N photons that are correlated in time and space. One of the objects of this invention is to demonstrate methods and arrangements by which the path from N photons to the sample is designed to unite at one point in the sample and to act simultaneously through an N photon absorption process. Non-classical light can pass through the process of spontaneous parametric frequency conversion (SPDC) in a nonlinear crystal such as /? - barium borate (BBO) or lithium niobate (LN). When such a second order nonlinear crystal is pumped with a highly coherent pump laser, entangled photons (photon pair beams) are generated. The nonlinear material can also be poled periodically (eg PPLN) in order to achieve a higher efficiency in the generation of entangled photons. Non-classical light can also be generated by squeezing in an optical parametric amplifier (OPA) or oscillator (OPO). The principles of microscopy and spectroscopy with entangled photons have been described in US Pat. No. 5,796,477 [MC Teich and BEA Saleh, "Entangled-photon microscopy, spectroscopy, and imaging"]. An overview of the generation and behavior of squeezed light can be found in Ml Kolobov, "The spatial behavior of nonclassical light," Reviews of Modern Physics, Volume 71, No. 5, pages 1539-1589 (1999).
Die folgende Diskussion der Erfindung betrifft die Fluoreszenzanregung mit verschränkten Photonen, die in einem nichtlinearen Kristall durch spontane parametrische Abwärtskonversion erzeugt werden, ohne den Umfang der Erfindung darauf zu beschränken.The following discussion of the invention relates to entangled photon fluorescence excitation generated in a nonlinear crystal by spontaneous parametric downconversion without limiting the scope of the invention thereto.
Die Schlüsselaufgabe der optischen Anordnung für die Anregung der Probe besteht darin abzusichern, daß die N korrelierten Photonen der nichtklassischen Lichtquelle bei voller numerischer Apertur der Objektivlinse auf einem beugungsbegrenzten Punkt der Probe ankommen. Oft werden einige oder alle N Photonen der nichtklassischen Lichtquelle kollinear emittiert. In diesem Falle, und in einer der Aufbauvari- anten für die optische Konfiguration, liegt die Quelle des nichtklassischen Lichtes nahe der hinteren Brennebene der Objektivlinse, die in die Probe fokussiert. Diese Ebene fällt mit der primären telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges des Mikroskops zusammen. Die infolge der Absorption von Photonenpaaren emittierte Fluoreszenz wird auf einem Detektor abgebildet, dessen Signal elektronisch verarbeitet wird. Die Empfängereinrichtung könnte eine konfokale Anordnung unter Verwendung eines Punktdetektors sein. Alternativ dazu ist die nichtkonfokale Messung mittels eines Großflächendetektors möglich (d.h., die Empfängerfläche ist viel größer als die Punktverwaschungsfunktion in der Empfängerebene). Um ein Bild zu erhalten, wird die Probe durch den Anregungsstrahl gerastert, dann folgt die Verar- beitung und Darstellung des Empfängersignals, wie in der Laser Scan Mikroskopie bekannt. Bei einer anderen in dieser Erfindung vorgestellten Konfiguration wird die Quelle der verschränkten Photonen nahe einer Ebene angebracht, die zur primären telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges des Mikroskops konjugiert ist. In diesem Falle können komplexere Konfigurationen der Quelle realisiert werden. Solch eine Quelle verschränkter Photonen kann zum Beispiel in einer konjugierten telezentrischen Ebene eines Standard-CLSM liegen.The key task of the optical arrangement for the excitation of the sample is to ensure that the N correlated photons of the non-classical light source arrive at a diffraction-limited point of the sample with a full numerical aperture of the objective lens. Often some or all of the N photons of the non-classical light source are emitted collinearly. In this case, and in one of the configuration variants for the optical configuration, the source of the non-classical light is close to the rear focal plane of the objective lens, which focuses in the sample. This level coincides with the primary telecentric level of the microscope's illumination beam path. The fluorescence emitted as a result of the absorption of photon pairs is imaged on a detector, the signal of which is processed electronically. The receiver device could be a confocal arrangement using a point detector. Alternatively, non-confocal measurement is possible using a large area detector (ie the receiver area is much larger than the point wash function in the receiver plane). In order to obtain an image, the sample is scanned by the excitation beam, then the processing and display of the receiver signal follows, as is known in laser scan microscopy. In another configuration presented in this invention, the entangled photon source is placed near a plane that is conjugated to the primary telecentric plane of the microscope's illumination beam path. In this case, more complex configurations of the source can be implemented. Such a source of entangled photons can, for example, be in a conjugate telecentric plane of a standard CLSM.
Eine andere Aufbauvariante enthält Elemente zur Schaffung einer optischen Verzö- gerung zwischen den Photonen, die ein Paar bilden. Solch eine optische Verzögerung kann sich zwischen der Quelle und der Objektivlinse befinden und ermöglicht die Untersuchung spektroskopischer Eigenschaften einer Probe mit hoher räumlicher Auflösung.Another design variant contains elements for creating an optical delay between the photons that form a pair. Such an optical delay can be between the source and the objective lens and enables the investigation of spectroscopic properties of a sample with high spatial resolution.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the accompanying drawings:
Fig.l a die statistischen Eigenschaften über die Zeit, d.h. die Anzahl derFig.la the statistical properties over time, i.e. the number of
Photonen, die in einem Zeitintervall ΔT ankommen, bei Verwendung einer nichtklassischen Lichtquelle mit N-fachen (in diesem Falle 4- fachen) Photonen, im Vergleich zu einer klassischen Lichtquelle,Photons that arrive in a time interval ΔT when using a non-classical light source with N times (in this case 4 times) photons, compared to a classic light source,
Fig.l b die schematische Darstellung eines N-Photonenabsorptionsprozesses durch S reale oder virtuelle Zustände von Energiestufe Eι nach E2,Fig. Lb the schematic representation of an N-photon absorption process by S real or virtual states from energy level E ι to E 2 ,
Fig.2 die schematische Darstellung der Fluoreszenzanregung, die entsprechend der Erfindung auf der klassischen Zweiphotonenabsorption (links) bzw. auf der Absorption verschränkter Photonen (rechts) basiert, Fig.3 ein Diagramm der grundlegenden optischen Fokussierungskonfigura- tion gemäß der Erfindung unter Verwendung der in der Beschreibung verwendeten Notation, Fig.4 ein Diagramm, das den axialen Verlauf der Anregung der verschränk¬ ten Photonen (nichtklassisch) im Vergleich zur Zweiphotonen- (TP) anregung (klassisch) zeigt, Fig.5 ein Diagramm, das den lateralen Verlauf der Anregung der verschränkten Photonen (nichtklassisch) im Vergleich zur Zweiphotonen- (TP) anregung (klassisch) zeigt,2 shows the schematic representation of the fluorescence excitation, which according to the invention is based on the classic two-photon absorption (left) or on the absorption of entangled photons (right), FIG. 3 shows a diagram of the basic optical focusing configuration according to the invention using the in Description of the notation used, Figure 4 is a diagram (not classical) stimulating the axial course of the excitation of the verschränk ¬ th photon in comparison to the two-photon (TP) (classic) shows 5 shows a diagram which shows the lateral course of the excitation of the entangled photons (non-classical) in comparison to the two-photon (TP) excitation (classical),
Fig.6 ein Diagramm, das die Tiefendiskriminierung des Mikroskops ver- schränkter Photonen mit konfokalem Empfang im Vergleich zu einem6 shows a diagram showing the depth discrimination of the microscope of entangled photons with confocal reception compared to one
TPFM zeigt,TPFM shows
Fig.7 ein Diagramm, in dem eine Vorzugskonfiguration des Mikroskops verschränkter Photonen dargestellt ist,7 shows a diagram in which a preferred configuration of the microscope of entangled photons is shown,
Fig.8 ein Diagramm, in dem eine weitere Vorzugskonfiguration des Mikro- skops verschränkter Photonen dargestellt ist,8 shows a diagram in which a further preferred configuration of the microscope of entangled photons is shown,
Fig.9 ein Diagramm, in dem eine Vorzugsvariante des Mikroskops verschränkter Photonen mit Elementen für die Nutzung spektroskopischer Kontrastinformationen dargestellt ist.9 shows a diagram in which a preferred variant of the microscope of entangled photons with elements for the use of spectroscopic contrast information is shown.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die vorliegende Erfindung nutzt den Unterschied zwischen der Absorption bei einer klassischen Lichtquelle und der bei einer nichtklassischen Lichtquelle, wie z.B. verschränkte Photonen in einem fokussierten Strahl. Fig.1 a zeigt die zeitlichen statistischen Eigenschaften einer nichtklassischen Lichtquelle, die korrelierte Photonen erzeugt, im Vergleich zu einer klassischen Lichtquelle. Innerhalb jedes Zeitintervalls ΔT emittiert eine klassische Lichtquelle eine willkürliche Anzahl von Photonen, die einer lichtquellenabhängigen statistischen Verteilung folgen, während eine nichtklassische Lichtquelle eine N-fache Anzahl zu willkürlichen Zeiten emittiert.The present invention makes use of the difference between the absorption in a classic light source and that in a non-classic light source, such as e.g. entangled photons in a focused beam. 1a shows the temporal statistical properties of a non-classical light source that generates correlated photons compared to a classical light source. Within each time interval ΔT, a classic light source emits an arbitrary number of photons that follow a statistical distribution dependent on the light source, while a non-classical light source emits an N times the number at arbitrary times.
Fig.l b zeigt einen N-Photonenabsorptionsprozeß zwischen den Energiestufen Eι und E . Die dazwischen liegenden Zustände S können virtuelle Energiezustände oder reale Zustände sein.Fig.lb shows an N-photon absorption process between the energy levels E ι and E. The intermediate states S can be virtual energy states or real states.
Die Auswirkungen diese Unterschieds auf die Abhängigkeit der Absorptionsrate und die Probenwechselwirkung sind bekannt. Die nachfolgenden Ausführungen dazu konzentrieren sich auf die Bedeutung für die Auflösung und beschreiben Konfigurationen, bei denen dieser Unterschied für die hochauflösende Abbildung genutzt wird. Die spätere Bedeutung ist höchst einfach erklärt für den Fall einer Zweiphoto- nenabsorption, obwohl klar ist, daß die hier dargestellte Erfindung genauso für Mehrphotonenpro∑esse gilt. Außerdem wird die Diskussion der Einfachheit halber auf eine Dimension in transversaler Richtung beschränkt. Die Erweiterung auf ein zweidimensionales System mit Rotationssymmetrie zur optischen Achse ist einfach und die Schlußfolgerungen sind unverändert.The effects of this difference on the dependence of the absorption rate and the sample interaction are known. The following explanations focus on the meaning for the resolution and describe configurations in which this difference is used for the high-resolution image. The later meaning is explained very simply in the case of a two-photon absorption, although it is clear that the invention shown here also applies to multi-photon processes. In addition, the discussion is for simplicity limited to one dimension in the transverse direction. The expansion to a two-dimensional system with rotational symmetry to the optical axis is easy and the conclusions are unchanged.
Der axiale und transversale Verlauf der Zweiphotonenanregung einer Probe, der für die Auflösung der Anordnung entscheidend ist, soll für zwei Fälle bestimmt werden: Klassische Zweiphotonenanregung. In diesem Fall wird für die Anregung der Probe eine Lichtquelle mit der Wellenlänge 2λ verwendet. Anregung durch verschränkte Photonen. Verwendet werden verschränkte Photonen, die zur Anregung der Probe in einem nichtlinearen optischen Kristall (NLC) über einen Frequenzkonversionsprozeß erzeugt werden. In diesem Fall emittiert die Pumpe Licht der Wellenlänge λ und die entarteten frequenzkonvertierten Photonen haben jeweils die Wellenlänge 2λ . Die Beschränkung auf entartete Photonen geschieht um der Argumentation willen und grenzt den Umfang der Erfindung keineswegs ein.The axial and transverse course of the two-photon excitation of a sample, which is decisive for the resolution of the arrangement, should be determined for two cases: Classic two-photon excitation. In this case, a light source with a wavelength of 2λ is used to excite the sample. Excitation by entangled photons. Entangled photons are used which are generated to excite the sample in a non-linear optical crystal (NLC) using a frequency conversion process. In this case, the pump emits light of the wavelength λ and the degenerate frequency-converted photons each have the wavelength 2λ. The limitation to degenerate photons is for the sake of reasoning and in no way limits the scope of the invention.
Die beiden Fälle sind in Fig.2 dargestellt. G2)(x ,z,,t ;x ,z2,t) ist die Wahrscheinlichkeit der Messung eines Photonenpaares an Raum-Zeit-Punkten (x ,z ,t und (x2,z2,t_). Für die Fluoreszenzanregung über einen Zweiphotonenprozeß interessieren in diesem Zusammenhang gleiche Ankunftszeiten f, = t2 = t, und da die Funktion 02)(x ,z ,t;x2,z2,t) für eine monochromatische Lichtquelle zeitkonstant ist, verschwindet die Zeitvariable und es bleibt Ö2)(x ,z ,;x2,z2>).The two cases are shown in Fig.2. G 2) (x, z ,, t; x, z 2 , t) is the probability of measuring a pair of photons at space-time points (x, z, t and (x 2 , z 2 , t_) In this context, fluorescence excitation via a two-photon process is of interest in the same arrival times f, = t 2 = t, and since the function 0 2) (x, z, t; x 2 , z 2 , t) is time constant for a monochromatic light source, the time variable disappears and there remains Ö 2) (x, z,; x 2 , z 2> ).
Die Ubertragungsfunktion vom Objekt zum Bild für ein lineares monochromatisches optisches System ist gegeben durchThe transfer function from object to image for a linear monochromatic optical system is given by
Figure imgf000010_0001
wobei alle Felder dieselbe Polarisation haben. Hier sind Eo(xjω) und Eχ(x;,ω) die skala- ren elektrischen Felder in der Objekt- bzw. Bildebene, und h(xjtxo;ω) ist die Amplitu- denpunktverwaschungsfunktion des Systems zwischen der Bild- und Ob/e/ febene.
Figure imgf000010_0001
where all fields have the same polarization. Here E o (xjω) and E χ (x;, ω) are the scaled electrical fields in the object and image plane, respectively, and h (x jt x o ; ω) is the system's amplitude point blurring function between the image - and Ob / e / febene.
Das in Fig.3 gezeigte optische System wird für die Fokussierung in beiden Fällen - der klassischen Anregung und der Anregung mit verschränkten Photonen - verwendet. Das Schema illustriert gemäß der Erfindung eine einfache Beleuchtungsanordnung mit einer nichtklassischen Lichtquelle in einer telezentrischen Ebene. Für eine Ebene im Abstand z von der Brennebene lautet die Amplitudenpunktverwa- schungsfunktion [Veröffentlichung dazu: J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, Kapitel 6, McGraw-Hill, New York, 1968]The optical system shown in FIG. 3 is used for focusing in both cases - the classic excitation and the excitation with entangled photons. The scheme according to the invention illustrates a simple lighting arrangement with a non-classical light source in a telecentric plane. For a plane at a distance z from the focal plane, the amplitude point blurring function is [publication: JW Goodman, Introduction to Fourier Optics, Chapter 6, McGraw-Hill, New York, 1968]
Figure imgf000011_0001
wobei
Figure imgf000011_0001
in which
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0002
Transformierte der verall πx 2 λ gemeinerten Pupillenfunktion o (x) = (x)exp J JfV ist [Veröffentlichung dazu: B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, chap. 4, Wiley-Interscience, New York, 1991].Transformed the generalized πx 2 λ pupil function o (x) = (x) exp J JfV is [publication: B.E.A. Saleh and M.C. Pond, Fundamentals of Photonics, chap. 4, Wiley-Interscience, New York, 1991].
Hier ist λ die Wellenlange des monochromatischen, skalaren elektrischen Feldes, / ist die Brennweite der Linse und d ist der Abstand zwischen der telezentrischen (Objekt-) Ebene und der Linse. In diesen Berechnungen wird die Pupillenfunktion der Linsenapertur p(x) als rechteckig und mit der Weite A angenommen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß dies die Amplitudenpunktverwaschungsfunktion für ein eindimensionales optisches System (in transversaler Richtung) ist, deshalb wurde die Proportionalitatskonstante vonHere λ is the wavelength of the monochromatic, scalar electric field, / is the focal length of the lens and d is the distance between the telecentric (object) plane and the lens. In these calculations, the pupil function of the lens aperture p (x) is assumed to be rectangular and with the width A. It should be noted that this is the amplitude point blurring function for a one-dimensional optical system (in the transverse direction), therefore the proportionality constant of
in abgeändert.changed in.
XdfV λjdfVXdfV λjdfV
Für die nächste Diskussion wird von der folgenden Annahme über die Anordnung in Fig.2a (klassische Lichtquelle) ausgegangen: das Pumplicht ist eine monochromatische ebene Welle,For the next discussion, the following assumption is made about the arrangement in Fig. 2a (classic light source): the pump light is a monochromatic plane wave,
Näherung dunner Linsen,Approximation of thin lenses,
Probe reagiert auf die Ankunft eines Photonenpaares nur an einem einzigenProbe reacts to the arrival of a pair of photons on only one
Raum-Zeit-Punkt.Space-time point.
Für die klassische Zweiphotonenanregung ist die Absorptionsrate der Probe (des Fluorophors) proportional zu G^2^(x! , z; x! , z) oc /2j 3 z) Der axiale Verlauf der Anregung entlang der z-Achse, d.h. bei x = 0, ist gegeben durchFor classic two-photon excitation, the absorption rate of the sample (of the fluorophore) is proportional to G ^ 2 ^ (x !, Z; x !, Z) oc / 2j 3 z) The axial course of the excitation along the z axis, ie at x = 0, is given by
Figure imgf000012_0001
wobei
Figure imgf000012_0001
in which
Figure imgf000012_0002
und der transversale Verlauf in der Brennebene (z = 0) ist, gegeben durch
Figure imgf000012_0002
and the transverse course in the focal plane (z = 0) is given by
J2(x , zO θ) oc sinc4(x ). (5)J 2 (x, z θ) oc sinc 4 (x). (5)
Die Menge z' = ist die normierte Länge in axialer Richtung, gemessen von der zAV zThe quantity z '= is the standardized length in the axial direction, measured from the zAV z
Brennebene, wobei zc = 2λpF# und typischerweise/».^ und V '»1, so daß z' z„Focal plane, where z c = 2λ p F # and typically / ^ ^ and V ' »1, so that z'z"
XX
Die Menge x ist die normierte Länge x, in der Bildebene, so daß x' = — - , wobei χ„ xc = 2λpFχ (siehe Fig.2).The set x is the normalized length x, in the image plane, so that x '= - -, where χ „x c = 2λ p Fχ (see Fig. 2).
f Hier ist F die Linsenanzahl F , definiert als F» = — , wobei / und A die Brennweitef Here F is the number of lenses F, defined as F »= -, where / and A is the focal length
# A bzw. die Apertur der Linse und 2λ die Wellenlänge der Lichtquelle ist. Es wird darauf hingewiesen, daß xc und zc die charakteristischen Längen in transversaler bzw. axialer Richtung sind. Die Breite des Anregungsverlaufs in transversaler und axialer Richtung ist proportional zu diesen Werten. # A or the aperture of the lens and 2λ is the wavelength of the light source. It should be noted that x c and z c are the characteristic lengths in the transverse and axial directions, respectively. The width of the excitation curve in the transverse and axial directions is proportional to these values.
Für die Diskussion der Anregung durch verschränkte Photonen wird von folgender Annahme der experimentellen Bedingungen der Anordnung im Fig.2b (nichtklassische Lichtquelle) ausgegangen: - Das Pumplicht ist eine monochromatische ebene Welle,For the discussion of the excitation by entangled photons, the following assumption is made of the experimental conditions of the arrangement in Fig. 2b (non-classical light source): the pump light is a monochromatic plane wave,
Näherung dünner Linsen,Approximation of thin lenses,
Probe reagiert auf die Ankunft eines Photonenpaares nur an einem einzigenProbe reacts to the arrival of a pair of photons on only one
Raum-Zeit-Punkt, ein Spektralfilter sehr schmaler Bandbreite, dessen Mittenfrequenz mit der Frequenz der entarteten Photonen zusammenfällt, wird hinter dem Kristall angebracht, so daß nur entartete Photonen zur Anregung der Probe beitragen.Space-time point a spectral filter of very narrow bandwidth, the center frequency of which coincides with the frequency of the degenerate photons, is placed behind the crystal, so that only degenerate photons contribute to the excitation of the sample.
Für die Anregung durch verschränkte Photonen wird G(2 (χ„z;xi,z), der Einfachheit halber als G(2)(xuz) abgekürzt, berechnet mitFor the excitation by entangled photons, G (2 (χ „z; xi, z), abbreviated as G (2) (x u z) for the sake of simplicity, is calculated with
(6)
Figure imgf000013_0001
wobei g(a - /?)
Figure imgf000013_0002
J2πμ2p2)exp(j2π(a - ß)p) , (7)
(6)
Figure imgf000013_0001
where g (a - /?)
Figure imgf000013_0002
J2πμ 2 p 2 ) exp (j2π (a - ß) p), (7)
£ eq £ eq
£ ι - ~ + d ι ■ u, — -^3- , £/, = — , Nf = ist eine Fresnelsche Zahl, £ ι - ~ + d ι ■ u, - - ^ 3 -, £ /, = -, N f = is a Fresnel number,
1 f Nf f Nf f λ 1 f N f f N f f λ
t- ist eine äquivalente Kristalldicke; £ ist die Kristalldicke und n (2λ ) ist
Figure imgf000013_0003
die Brechzahl des ordentlichen Strahles im NLC für die entartete Wellenlänge. Da μι « 1 und μ « 1 für alle praktischen Werte von £ und Abstände d, vereinfacht sich die Gleichung (7) zu g(α-ß) = δ( -ß). Als Ergebnis der Gleichung (6) ist der axiale Verlauf der Anregung gegeben durch
t- is an equivalent crystal thickness; £ is the crystal thickness and n (2λ)
Figure imgf000013_0003
the refractive index of the ordinary beam in the NLC for the degenerate wavelength. Since μ ι «1 and μ« 1 for all practical values of £ and distances d, equation (7) is simplified to g (α-ß) = δ (-ß). As a result of equation (6), the axial course of the excitation is given by
Figure imgf000013_0004
was mit dem klassischen Fall in Gleichung (3) verglichen werden sollte. Der trans- versale Verlauf der Anregung ist gegeben durch
Figure imgf000013_0004
which should be compared to the classic case in equation (3). The transverse course of the excitation is given by
G(2)(x;,z' = 0) oc sinc2 (2x;) , (9)G (2) (x;, z '= 0) oc sinc 2 (2x;), (9)
was mit Gleichung (5) verglichen werden sollte. Zu beachten ist, daß für den axialen und für den transversalen Anregungsverlauf die Argumente das Zweifache und die Potenz der funktionalen Abhängigkeit die Hälfte derer der klassischen Ergebnisse betragen.which should be compared to equation (5). It should be noted that the arguments for the axial and for the transverse course of the excitation are twice and the potency of the functional dependency is half that of the classic results.
Fig.4 zeigt den normierten axialen Verlauf für die klassische Zweiphotonenanregung (durchgehende Linie) und Anregung durch verschränkte Photonen (punktierte Linie). In Fig.5 sind die gleichen Kurven jeweils für den transversalen Verlauf dargestellt.Fig. 4 shows the normalized axial course for the classic two-photon excitation (solid line) and excitation by entangled photons (dotted line). 5 shows the same curves for the transverse course.
So wird gezeigt, daß das Fokussieren entarteter Photonen, die zum Beispiel durch den Frequenzkonversionsprozeß in einem nichtlinearen Kristall erzeugt wurden, die Größe (sowohl axial als auch transversal) des Verlaufs der Anregung um 31 % im Vergleich zur klassischen Zweiphotonenanregung (d.h. 1 /e Weite des verschränkten Photons = 0,69 1 /e Weite der klassischen) verringert.It is shown that the focusing of degenerate photons, which were generated for example by the frequency conversion process in a nonlinear crystal, the size (both axially and transversely) of the course of the excitation by 31% compared to the classic two-photon excitation (i.e. 1 / e width of the entangled photon = 0.69 1 / e width of the classic) reduced.
Ein weiteres wichtiges Markmal für die dreidimensionale Abbildung ist die Möglich- keit der Herstellung optischer Schnitte, auch Tiefendiskriminierung genannt. Sie kann als Reaktion des Systems auf das Abtasten einer dünnen, lateral homogenen, fluoreszierenden Schicht durch den Fokus beschrieben werden. Im Unterschied zur klassischen Zweiphotonenanregung liefert die Anregung, die nichtklassisches Licht nutzt, keine optischen Schnitte.Another important feature for three-dimensional imaging is the possibility of producing optical cuts, also known as depth discrimination. It can be described as the response of the system to the scanning of a thin, laterally homogeneous, fluorescent layer by the focus. In contrast to classic two-photon excitation, the excitation, which uses non-classic light, does not provide any optical cuts.
G(2) (z') oc J dχ G{2) (x„' z') = const. (1 0)G (2) (z ') oc J dχ G {2) (x „' z ') = const. (1 0)
Dies ist eine Folge der linearen Abhängigkeit des Absorptionsgrades vom Anregungsphotonenfluß. Durch Hinzufügung einer konfokalen Empfängereinheit analog zur Einphotonenanregung in einem CLSM kann die Tiefenunterscheidung erreicht werden. Das Verhalten istThis is a consequence of the linear dependence of the degree of absorption on the excitation photon flux. The depth differentiation can be achieved by adding a confocal receiver unit analogous to single-photon excitation in a CLSM. The behavior is
Figure imgf000014_0001
wobei 2λp und λ die Wellenlänge des Anregungslichtes und die Fluoreszenz sind bzw. fc die Intensitäts-Punktverwaschungsfunktion für die konfokale Empfängeranordnung ist. Dieses Verhalten wäre zu vergleichen mit dem Verhalten im Falle der Zweiphotonenanregung mit einer nichtkonfokalen Empfängeranordnung
Figure imgf000014_0001
where 2λ p and λ are the wavelength of the excitation light and the fluorescence and f c is the intensity point washing function for the confocal receiver arrangement. This behavior could be compared to the behavior in the case of two-photon excitation with a non-confocal receiver arrangement
GS W ∞ )dx[I2(xl',z') (12)GS W ∞) dx [I 2 (x l ', z') (12)
bzw. mit einer konfokalen Empfängeranordnungor with a confocal receiver arrangement
Figure imgf000014_0002
Fig.6 zeigt diese Verläufe unter der vereinfachten Annahme, daß λpf. Es sollte beachtet werden, daß der Verlauf der nichtklassischen Anregung bei Wellenlänge 2λp mit konfokaler Empfängeranordnung gleich der Verteilung der Einphotonenanregung bei Wellenlänge λp n einem CLSM ist.
Figure imgf000014_0002
Fig. 6 shows these curves under the simplified assumption that λ p = λ f . It should be noted that the course of the non-classical excitation at wavelength 2λ p with a confocal receiver arrangement is equal to the distribution of the single-photon excitation at wavelength λ p n of a CLSM.
Zusammengefaßt verhält sich ein System, das als Anregung nichtklassisches Licht der Wellenlänge 2λ über eine Fokussierungsanordnung gemäß der hier beschriebenen Erfindung verwendet, hinsichtlich der Auflösung wie ein System mit Einphoto- nen-Fluoreszenzanregung der halben Wellenlänge (d.h. λ ). Das erstgenannte Sy- stem liefert eine höhere Auflösung als ein nichtkonfokales MPFM-System, das eine klassische Lichtquelle der Wellenlänge 2λ verwendet.In summary, a system that uses non-classical light of wavelength 2λ as excitation via a focusing arrangement according to the invention described here behaves in terms of resolution like a system with single-photon fluorescence excitation of half the wavelength (i.e. λ). The former system provides a higher resolution than a non-confocal MPFM system that uses a classic light source with a wavelength of 2λ.
Nachstehend werden Vorzugskonfigurationen der Erfindung diskutiert.Preferred configurations of the invention are discussed below.
In einer Vorzugskonfiguration, wie in Fig.7a schematisch dargestellt, ist die nichtklassische Lichtquelle Teil der Objektivlinse. Aufgrund der Bedingung der Phasenübereinstimmung im nichtlinearen Kristall hat ein veränderter Einfallswinkel des Pumplasers auf den Kristall einen unerwünschten Effekt auf die Eigenschaften der erzeugten Photonen. Deshalb kann solch eine Anordnung nur in Verbindung mit dem Objektscanning verwendet werden.In a preferred configuration, as shown schematically in FIG. 7 a, the non-classical light source is part of the objective lens. Due to the condition of phase matching in the nonlinear crystal, a changed angle of incidence of the pump laser on the crystal has an undesirable effect on the properties of the photons generated. Therefore, such an arrangement can only be used in connection with object scanning.
In einer anderen Version, in Fig.7b dargestellt, befindet sich der nichtlineare Kristall außerhalb der Objektivlinse mit der Möglichkeit eines doppelten Durchgangs des Pumplichtes durch den Kristall, um die Leistung der nichtklassischen Lichtquelle zu erhöhen. Bei beiden Varianten muß der nichtlineare Kristall nahe der hinteren Brennebene der Objektivlinse angebracht werden, die auch die primäre telezentrische Ebene ist.In another version, shown in Fig. 7b, the non-linear crystal is outside the objective lens with the possibility of double passage of the pump light through the crystal to increase the performance of the non-classical light source. In both variants, the nonlinear crystal must be placed near the rear focal plane of the objective lens, which is also the primary telecentric plane.
In Fig.7a beleuchtet das kollimierte Licht des Pumplasers L die Probe Sa und passiert dabei einen dichroitischen Strahlteiler MDB, eine Scanningoptik SO, die Mikroskoptubuslinse TL sowie ein speziell entwickeltes Objektiv für verschränkte Photonen EPO, das auf der rechten Seite im Detail dargestellt ist. Das EPO besteht aus einem lichtlinearen Kristall NLC in oder in der Nähe der Pupillenebene PP des Mikroskopobjektivs O, die mit der primären telezentrischen Ebene PTP der Beleuchtung zusammenfällt. Zwischen EPO und O befindet sich ein Filter HPF, der die Wellenlän- ge des Pumplasers ausblendet, längere Wellenlängen jedoch hindurchläßt (Fre- quenzkonversions-Anordnung, wie in der Literatur beschrieben). Die EPO-Elemente können günstigerweise in ein Objektivgehäuse eines herkömmlichen Standardmi- kroskopes eingebaut werden. Die in der Probe angeregte Fluoreszenz geht durch EPO, TL und SO hindurch, wird durch den Strahlteiler MDB reflektiert und mittels der Lochblendenoptik PO durch eine Lochblende PH hindurch auf den Detektor DE abgebildet.In FIG. 7 a, the collimated light of the pump laser L illuminates the sample Sa and thereby passes through a dichroic beam splitter MDB, scanning optics SO, the microscope tube lens TL and a specially developed lens for entangled photons EPO, which is shown in detail on the right-hand side. The EPO consists of a light-linear crystal NLC in or near the pupil plane PP of the microscope objective O, which coincides with the primary telecentric plane PTP of the illumination. A filter HPF is located between the EPO and O, which filters the wavelength hides the pump laser, but allows longer wavelengths to pass through (frequency conversion arrangement, as described in the literature). The EPO elements can advantageously be installed in a lens housing of a conventional standard microscope. The fluorescence excited in the sample passes through EPO, TL and SO, is reflected by the beam splitter MDB and is imaged onto the detector DE through the pinhole optics PO through a pinhole PH.
Im Fig.7b ist im Unterschied zur Anordnung in Fig.7a die nichtlineare Optik NLC außerhalb des Gehäuses der Objektivlinse angebracht, das ankommende Licht wird durch einen Polarisations-Strahlteiler PBS oder einen dichroitischen Strahlteiler dorthin gelenkt. Die Rückseite des NLC ist reflektierend, so daß das Pumplicht und das frequenzkonvertierte Licht in Richtung PBS zurückreflektiert werden. Der PBS lenkt das Pumplicht zurück in Richtung des Lasers L und richtet das frequenzkon- vertierte Licht, das rechtwinklig zum Pumplicht polarisiert wird, über das Objektiv O auf die Probe Sa. In dieser Anordnung befindet sich der Detektor auf der rechtenIn Fig. 7b, in contrast to the arrangement in Fig. 7a, the non-linear optics NLC is attached outside the housing of the objective lens, the incoming light is directed there by a polarization beam splitter PBS or a dichroic beam splitter. The back of the NLC is reflective, so that the pump light and the frequency-converted light are reflected back in the direction of the PBS. The PBS directs the pump light back towards the laser L and directs the frequency-converted light, which is polarized at right angles to the pump light, via the lens O onto the sample Sa. In this arrangement, the detector is on the right
Seite, und das von der Probe kommende fluoreszierende Licht wird durch den MDB reflektiert. Die in den Abbildungen 7a und 7b gezeigten Anordnungen sind für eineSide, and the fluorescent light coming from the sample is reflected by the MDB. The arrangements shown in Figures 7a and 7b are for one
Probe bestimmt, die von einem Scanningtisch (nicht dargestellt) in mindestens zwei Richtungen bewegt wird (Objektscanning). Weiterhin kann das optische System bei beiden Anordnungen die Scanningoptik SO und die Tubuslinse TL beinhalten, wie inDetermines sample that is moved in at least two directions by a scanning table (not shown) (object scanning). Furthermore, the optical system can include the scanning optics SO and the tube lens TL in both arrangements, as in FIG
Fig.7a gezeigt, oder auch nicht, wie in Fig.7b gezeigt.Fig.7a shown, or not, as shown in Fig.7b.
In Fig.7c wird das Pumplicht L und das frequenzkonvertierte Licht, nachdem es einmal durch den nichtlinearen Kristall NLC hindurchgegangen ist, durch einen sphärischen Spiegel M zurück in den nichtlinearen Kristall NLC fokussiert. Nach Passieren des PBS wird das frequenzkonvertierte Licht durch die Linse L kollimiert und zur Probe gelenkt, wie in Fig.7b beschrieben. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß die Lichtintensität L innerhalb des Kristalls aufgrund der Fokussierung viel höher ist, so daß eine Verstärkung der frequenzkonvertierten Photonen zur Erhöhung der Strahlungsleistung der Paare verschränkter Photonen ermöglicht wird.In FIG. 7c, the pump light L and the frequency-converted light, after having once passed through the nonlinear crystal NLC, are focused back into the nonlinear crystal NLC by a spherical mirror M. After passing the PBS, the frequency-converted light is collimated by the lens L and directed to the sample, as described in Fig. 7b. This configuration has the advantage that the light intensity L within the crystal is much higher due to the focusing, so that the frequency-converted photons can be amplified to increase the radiation power of the pairs of entangled photons.
Der Nachteil der Beschränkung auf das Objektscanning wird bei einer Konfiguration entsprechend Fig.8 vermieden, wo die Quelle der verschränkten Photonen in einer konjugierten telezentrischen Ebene des Mikroskops angebracht ist. Diese Anordnung der Quelle, wiederum unter der Annahme, daß korrelierte Photonen kollinear erzeugt werden, sichert ein beugungsbegrenztes Fokussieren des nichtklassischen Lichts. Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, daß mehr Platz für die Quelle zur Verfügung steht, so daß zum Beispiel mit der resonanzverstärkten Herstellung verschränkter Photonen gearbeitet werden kann.The disadvantage of the limitation to object scanning is avoided in a configuration according to FIG. 8, where the source of the entangled photons is located in a conjugated telecentric plane of the microscope. This arrangement of the source, again assuming that correlated photons are collinear generated ensures diffraction-limited focusing of the non-classical light. An advantage of this configuration is that more space is available for the source so that, for example, resonance-enhanced manufacturing of entangled photons can be used.
Fig.8 zeigt eine standardmäßige konfokale Scanninganordnung mit Laser L, XY- Scanner für zwei senkrecht zueinander stehende Abtastrichtungen, optisches Übertragungssystem RL, Übersichtsobjektiv SO, Tubuslinse TL, Objektiv O, Probe Sa, dichroitischem Strahlteiler MDB, Lochblendenoptik PO, Lochblende PH und Detektor DE. Hinter dem Laser befindet sich in einer telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges eine nichtklassische Lichtquelle EPS (vorzugsweise basiert auf der Frequenzkonvertierung in einem nichtlinearen Kristall) mit Filter HPF zur Beseitigung des Pumplichts, sowie die telezentrische Optik CL1 , CL2. Somit wird die Lichtquelle eines Standard-LSM ersetzt bzw. mit einer nichtklassischen Lichtquelle in einer telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges kombiniert, womit man sich die Methode für die Mehrphotonen-Fluoreszenzanregung, die in dieser Erfindung beschrieben ist, zunutze macht.8 shows a standard confocal scanning arrangement with laser L, XY scanner for two mutually perpendicular scanning directions, optical transmission system RL, overview lens SO, tube lens TL, lens O, probe Sa, dichroic beam splitter MDB, pinhole optics PO, pinhole PH and detector DE , Behind the laser is a non-classical light source EPS (preferably based on frequency conversion in a non-linear crystal) with filter HPF for removing the pump light, as well as the telecentric optics CL1, CL2, in a telecentric plane of the illumination beam path. Thus, the light source of a standard LSM is replaced or combined with a non-classical light source in a telecentric plane of the illumination beam path, whereby the method for the multi-photon fluorescence excitation, which is described in this invention, is used.
Wenn die nichtklassische Lichtquelle (d.h. verschränkte Photonen) in der Pupillene- bene des Mikroskops angebracht wird, können die paarweisen Photonen voneinander getrennt und zueinander verzögert werden, wie in Fig.9 gezeigt, um spektroskopische Untersuchungen zu ermöglichen, wie sie bereits bekannt sind. Zum Beispiel kann die Trennung im nichtentarteten Fall, bei unterschiedlichen Wellenlängen der Photonen des Paares, durch Verwendung eines geeigneten dichroitischen Strahl- teilers erreicht werden, wobei der Transmissionskante zwischen den Wellenlängen der verschränkten Photonen liegt. Unterscheiden sich die Photonen des Paares durch ihre Polarisation, können alternativ dazu Polarisations-Strahlteiler verwendet werden. Schließlich kann sogar bei nicht unterscheidbaren Photonen eines Paares eine unvollständige Trennung erreicht werden, und zwar durch Verwendung eines 50:50-Strahlteilers (die Hälfte der Paare pro Strahlteiler wird getrennt). Die Verzögerung kann durch Bewegen einer Verzögerungseinheit in einem Strang der Anordnung erreicht werden.If the non-classical light source (i.e. entangled photons) is placed in the pupil plane of the microscope, the pair-wise photons can be separated from one another and delayed from one another, as shown in FIG. 9, to enable spectroscopic examinations, as are already known. For example, the separation in the non-degenerate case, at different wavelengths of the photons of the pair, can be achieved by using a suitable dichroic beam splitter, the transmission edge being between the wavelengths of the entangled photons. If the photons of the pair differ in their polarization, polarization beam splitters can alternatively be used. Finally, even with indistinguishable photons of a pair, incomplete separation can be achieved by using a 50:50 beam splitter (half of the pairs per beam splitter are separated). The delay can be achieved by moving a delay unit in one strand of the arrangement.
Fig.9 zeigt teilweise die in Fig.8 beschriebene Anordnung, aber zwischen CL1 und CL2 befinden sich die Linsen CL3 und CL4 sowie ein dichroitischer Spiegel DC1 , der die Photonen des Paars in die zwei verschiedenen Richtungen dl und d2 lenkt. Die beiden Strahlen werden dann durch den Spiegel DC2 wieder zusammengeführt. Ml ist ein Ablenkspiegel für den Lichtstrahl dl . Der Spiegel M2 lenkt den Lichtstrahl d2 auf einen Rückstrahler RR um, der zur Einstellung der Verzögerung in der Weglänge zwischen dl und d2 verschoben werden kann. FIG. 9 partially shows the arrangement described in FIG. 8, but between CL1 and CL2 are the lenses CL3 and CL4 and a dichroic mirror DC1 which directs the photons of the pair in the two different directions d1 and d2. The Both beams are then brought together again by the mirror DC2. Ml is a deflecting mirror for the light beam dl. The mirror M2 deflects the light beam d2 onto a reflector RR, which can be shifted in the path length between d1 and d2 to set the delay.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren und Anordnungen zur mikroskopischen Abbildung auf der Grundlage nichtlinearer Absorption von Licht, wobei korrelierte Paare N-facher Photonen, N = 2,3— -n, wie Paare, Dreiergruppen, Vierergruppen usw. auf einen Punkt auf der Probe fokussiert werden.1 . Methods and arrangements for microscopic imaging on the basis of non-linear absorption of light, wherein correlated pairs of N-fold photons, N = 2.3- n, such as pairs, groups of three, groups of four, etc., are focused on a point on the sample.
2. Verfahren und Anordnungen zur mikroskopischen Abbildung gemäß Anspruch 1 , bei denen die N-fachen Photonen zeitlich und räumlich korreliert sind.2. The method and arrangement for microscopic imaging according to claim 1, in which the N-fold photons are temporally and spatially correlated.
3. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen die Lichtquelle verschränkte Photonen erzeugt.3. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the light source generates entangled photons.
4. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen die Lichtquelle gequetschte Photonen erzeugt.4. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the light source generates squeezed photons.
5. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen die mikroskopische Anordnung aus einem Laserscanning-Mikroskop mit Objekt- oder Strahlrasterung besteht.5. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the microscopic arrangement consists of a laser scanning microscope with object or beam scanning.
6. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen sich eine Quelle nichtklassisch erzeugter, kollinear emittierter Photonen in oder nahe einer telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges des6. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which a source of non-classically generated, collinearly emitted photons in or near a telecentric plane of the illumination beam path of the
Mikroskops befindet.Microscope.
7. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wobei es sich bei der Absorption um eine Mehrphotonenabsorption handelt, die die Absorption von mindestens zwei Photonen pro Molekül des anzuregenden Fluorophors umfaßt.7. The method and arrangements according to one of the preceding claims, wherein the absorption is a multiphoton absorption, which comprises the absorption of at least two photons per molecule of the fluorophore to be excited.
8. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche zur Anwendung in der Lithographie, bei der die Mehrphotonenabsorption in ei- nem Photoresist stattfindet und die Struktur des Materials verändert. 8. The method and arrangements according to one of the preceding claims for use in lithography, in which the multiphoton absorption takes place in a photoresist and changes the structure of the material.
9. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen die Mehrphotonenabsorption zum Beschreiben eines optischen Speichers angewandt wird.9. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the multi-photon absorption is used for writing to an optical memory.
10. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen die Lichtquelle mindestens aus einem nichtlinearen Kristall besteht, in dem eine Frequenzkonversion von gepumpten Photonen in verschränkte Photonen stattfindet.10. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the light source consists of at least one nonlinear crystal in which a frequency conversion of pumped photons into entangled photons takes place.
1 1 . Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen Mehrfachdurchgänge durch mindestens einen Kristall genutzt werden.1 1. Method and arrangements according to one of the preceding claims, in which multiple passes through at least one crystal are used.
1 2. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen eine Verstärkung der Paare genutzt wird.1 2. Method and arrangements according to one of the preceding claims, in which an amplification of the pairs is used.
13. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen die Verstärkung der beim ersten Durchgang durch den Kristall erzeugten Paare durch Fokussieren des Strahls auf den zweiten Durchgang durch den Kristall erfolgt.13. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the amplification of the pairs generated in the first pass through the crystal is carried out by focusing the beam on the second pass through the crystal.
14. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen sich eine Quelle nichtklassisch erzeugter, kollinear emittierter Photonen in oder nahe der Pupillenebene der Objektivlinse, die auf die Probe abbildet, befindet.14. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which a source of non-classically generated, collinearly emitted photons is located in or near the pupil plane of the objective lens that images on the sample.
1 5. Verfahren und Anordnungen gemäß Anspruch 14, bei denen diese Ebene mit der primären telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges zusammenfällt.1 5. The method and arrangements according to claim 14, in which this plane coincides with the primary telecentric plane of the illuminating beam path.
16. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen sich die Lichtquelle innerhalb des Gehäuses der Objektivlinsen befindet.16. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the light source is located within the housing of the objective lenses.
1 7. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen sich die Lichtquelle in einer anderen telezentrischen Ebene als der primären telezentrischen Ebene befindet. 1 7. Method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the light source is in a different telecentric level than the primary telecentric level.
1 8. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen sich die Lichtquelle in einer telezentrischen Ebene vor den optischen Elementen, die für das Abrastern der Probe durch den Strahl zuständig sind, befindet.1 8. Method and arrangements according to one of the preceding claims, in which the light source is in a telecentric plane in front of the optical elements which are responsible for scanning the sample by the beam.
1 9. Verfahren und Anordnungen zur spektroskopische Untersuchung von Proben mit hoher räumlicher Auflösung, vorzugsweise gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, auf der Grundlage der Fluoreszenzanregung durch nichtklassi- sches Licht, bei der sich eine Quelle nichtklassisch erzeugter, kollinear emittierter Photonen in oder nahe einer telezentrischen Ebene des Beleuchtungsstrahlenganges befindet.1 9. Methods and arrangements for the spectroscopic examination of samples with high spatial resolution, preferably according to one of the preceding claims, based on the fluorescence excitation by non-classical light, in which a source of non-classically generated, collinearly emitted photons in or near a telecentric Level of the illumination beam path is located.
20. Verfahren und Anordnungen gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, bei denen sich hinter der Quelle nichtklassischen Lichts, innerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges, ein Element zur Trennung der paarweisen Photonen, ein Element zur optischen Verzögerung der Photonen des Paares zueinander und ein Element zur erneuten Zusammenführung der Photonen des Paares nach der Verzögerung befinden. 20. The method and arrangements according to one of the preceding claims, in which behind the source of non-classical light, within the illuminating beam path, an element for separating the paired photons, an element for optically retarding the photons of the pair to one another and an element for reuniting the photons of the couple after the delay.
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DE102018215831B4 (en) * 2018-09-18 2020-04-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optical arrangement for fluorescence microscopic applications
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