Genau wie bei normalen Fotos benötigt man in der Mikroskopie viel Licht für detailreiche Aufnahmen. Das Problem dabei: Zu viel Licht kann empfindliche Proben, wie biologische Strukturen oder Quantenteilchen, schädigen. Das Ziel ist daher, mit einer begrenzten Lichtmenge so viele Informationen wie möglich zu gewinnen. Forschende der TU Wien haben in Zusammenarbeit mit den Universitäten Wien und Siegen eine neue Methode entwickelt: Sie speichern das Licht in einem Resonator, in dem sich auch die Probe befindet. Mit diesem Trick lässt sich ein klareres Signal erzielen als mit herkömmlichen Methoden.
Besseres Signal durch mehrfache Lichtstreuung
„In einem normalen Mikroskop fällt das Licht einmal auf die Probe und gelangt dann in ein Objektiv“, sagt Studienleiter Maximilian Prüfer. „In unserem Mikroskop platzieren wir die Probe in einem optischen Resonator – zwischen zwei Spiegeln.“
Um den Resonator als Mikroskop zu nutzen, entwickelte das Team einen speziellen Versuchsaufbau. Hierbei wird der Lichtstrahl mithilfe zusätzlicher Linsen im Kreis geleitet, sodass er die Probe mehrmals durchleuchtet, nachdem er sie bereits einmal passiert hat. „Jetzt wird die Probe also noch einmal durchleuchtet, aber nicht mit einem gewöhnlichen, einheitlichen Lichtstrahl wie zu Beginn, sondern mit einem Lichtstrahl, der gewissermaßen bereits das Bild der Probe in sich trägt“, erklärt Oliver Lueghamer (TU Wien), der das Mikroskop im Rahmen seiner Masterarbeit aufgebaut hat.
Ähnlich wie bei einem Stempel, der mit schwacher Farbe mehrmals an derselben Stelle aufgedrückt wird, wird das Bild der Probe durch die wiederholte Passage des Lichtstrahls zunehmend klarer und detailreicher.
Sowohl theoretische Berechnungen von Thomas Juffmann (Universität Wien) und Stefan Nimmrichter (Universität Siegen) als auch die durchgeführten Experimente bestätigen, dass diese Methode bei gleicher Lichtintensität deutlich mehr Informationen liefert als herkömmliche Mikroskopie-Techniken. „Die entscheidende Kennzahl ist die Signal-to-Noise-Ratio, das Verhältnis von erwünschtem Signal und unerwünschtem Rauschen“, erklärt Maximilian Prüfer. „Dieses Verhältnis ist aufgrund der Mehrfach-Streuung bei gleicher Störung der Probe besser als bei anderen Verfahren.“
Stabil auch bei kleinen Störungen
Für die Praxistauglichkeit der neuen Methode ist jedoch entscheidend, wie anfällig sie gegenüber Störungen ist: „Wenn man optische Resonatoren verwendet, so wie wir das machen, ist es oft wichtig, ihre Länge extrem konstant zu halten“, sagt Maximilian Prüfer. „Normalerweise muss man mit großem Aufwand dafür sorgen, dass der Abstand zwischen den beiden Spiegeln höchstens in winzigem Ausmaß variiert, sonst geht der gewünschte Effekt kaputt. Bei unserem Verfahren ist das allerdings nicht so.“ Der Abstand zwischen den Spiegeln kann auch eine gewisse Instabilität zeigen, ohne dass der Effekt verschwindet. „Das ist wichtig, denn das bedeutet, dass die Methode nicht nur theoretisch funktioniert, sondern in der Praxis mit überschaubarem Aufwand eingesetzt werden kann“, sagt Prüfer.
Eines der Ziele der neuen Mikroskopie-Technik ist, ultrakalte Bose-Einstein-Kondensate abzubilden, und dadurch ihr quantenphysikalisches Verhalten zu studieren.
Quelle
Technische Universität Wien (08/2025)
Publikation
O. Lueghammer et al., „Cavity-enhanced continuous-wave microscopy with potentially unstable cavity length”, Nature Scientific Reports 15, 27676 (2025).
https://www.nature.com/articles/s41598-025-13589-w