Selbst-rekonstruierende Laserstrahlen: Forscher entwickeln ein neues Konzept in der Mikroskopie
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Jeder Autofahrer kennt die Schwierigkeiten, wenn im Herbst auf nebligen Straßen die Sichtweite unter 50 Meter sinkt. Das Licht der Scheinwerfer wird an den Nebeltröpfchen gestreut und beleuchtet auftretende Hindernisse nicht ausreichend, weil es sie nicht mehr erreicht. Dieses alltägliche Beispiel veranschaulicht ein bedeutendes Problem der Lichtmikroskopie: Bei deren Einsatz in der modernen Zellbiologie streuen dichte Ansammlungen von Tausenden von Zellen das Beleuchtungslicht so stark, dass die Zellen im hinteren Teil des Objekts kaum noch zu sehen sind. Das Konzept selbst-rekonstruierender Laserstrahlen, wie es eher aus der Science-Fiction-Welt bekannt ist, könnte einen verheißungsvollen Lösungsansatz dieser Problematik bieten.
Dr. Alexander Rohrbach, Professor für Bio- und Nanophotonik am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg, entwickelt mit seiner Arbeitsgruppe neuartige, unkonventionelle Mikroskopieverfahren. Sein Doktorand Florian Fahrbach befasste sich zunächst als Diplomand mit selbst-rekonstruierenden Laserstrahlen. „Wir arbeiten seit vier Jahren an dem Thema“, erklärt er: „Ohne die Unterstützung des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS, Centre for Biological Signalling Studies, aber auch der Firma Carl Zeiss MicroImaging GmbH hätten wir das jetzt vorgestellte Konzept nur sehr schwer realisieren können!“
In der November-Ausgabe von Nature Photonics beschreiben die Wissenschaftler das von ihnen gebaute Lichtmikroskop, dessen Strahlen sich beim Durchdringen lichtstreuender Materie selbst wieder bündeln. Ihr Verfahren erlaubt nicht nur neue Einblicke in die Physik der komplexen Lichtstreuung, sondern ermöglicht es beispielsweise, circa 50 Prozent tiefer in menschliche Haut hineinzuschauen als bisher mit konventionellen Laserstrahlen. Ihre Neuentwicklung nennen die Autoren MISERB (microscope with self-reconstructing beams).
In mehreren Experimenten konnten die Freiburger Forscher zeigen, dass sich speziell geformte Laserstrahlen auch dann selbst rekonstruieren können, wenn verschiedene Hindernisse, im Extremfall viele licht-streuende biologische Zellen, das Profil des Laserstrahls immer wieder zerstören. Die Selbstrekonstruktion funktioniert, weil gestreute Photonen (Lichtquanten) im Zentrum des Strahls kontinuierlich durch neue, von der Seite kommende Photonen ersetzt werden. Erstaunlich ist allerdings, dass die Photonen von der Seite trotz massiver Verzögerungen durch die Streuer alle fast phasengleich im Zentrum eintreffen, um dort ein neues Strahlprofil zu bilden. Die Forscher formten hierzu gewöhnliche Laserstrahlen durch ein Computer-gesteuertes Hologramm, ein Gerät, das die Phase des Lichts verändert, zu so genannten Bessel-Strahlen um. Deren Phasenquerschnitt entspricht dem Verlauf eines Kegels. Obwohl Bessel-Strahlen als beugungsfreie Strahlen gelten, war bislang völlig unklar, ob und inwieweit sie auch in inhomogener Materie, also dort, wo viel Streuung stattfindet, ihre ursprüngliche Strahlform von alleine zurückgewinnen können.
Einerseits verheißen die Ergebnisse dieser Studie weitere physikalische Experimente im Bereich der nichtlinearen Optik. Andererseits bestehen berechtigte Hoffnungen, dass für den Exzellenzcluster BIOSS neue biologische Signalkaskaden tief im Inneren von lebenden Organismen besser als bisher sichtbar gemacht werden können.
Originalveröffentlichung: lorian O. Fahrbach, Philipp Simon und Alexander Rohrbach; „Microscopy with self-reconstructing beams”; Nature Photonics F.
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