Holographie 

Bei der Ho­lo­gra­phie über­la­gern sich zwei ko­hä­ren­te Strah­len in einem ho­lo­gra­phi­schen Ma­te­ri­al und bil­den ein In­ter­fe­renz­mus­ter aus, wel­ches als Ho­lo­gramm be­zeich­net wird. Wenn einer der Strah­len vor­her an einem Ob­jekt re­flek­tiert wurde, so trägt die­ser Strahl - ge­nannt Ob­jekt­strahl - die to­po­gra­fi­sche In­for­ma­ti­on des Ob­jek­tes. Wird er mit einem un­ge­beug­ten Strahl - dem Re­fe­renz­strahl - über­la­gert, wird in dem sich er­ge­ben­den Ho­lo­gramm die Ob­jek­t­in­for­ma­ti­on ge­spei­chert (Ab­bil­dung 1a). Die In­for­ma­ti­on kann wie­der ge­won­nen wer­den, indem der Re­fe­renz­strahl das Ho­lo­gramm er­neut be­scheint und am Ho­lo­gramm so ge­beugt wird, dass der Ob­jekt­strahl wie­der er­zeugt wird (Ab­bil­dung 1b).

Als ho­lo­gra­phi­sches Ma­te­ri­al wird bei die­sem Ver­fah­ren ein pho­to­re­frak­ti­ver Kris­tall ver­wen­det. Durch eine breit­ban­di­ge Licht­quel­le kann die kom­plet­te Tie­fen­in­for­ma­ti­on mit nur einem Schuss in ver­schie­de­nen Ho­lo­gram­men in dem pho­to­re­frak­ti­ven Kris­tall ge­spei­chert wer­den [1,2]. Durch eine Aus­wer­tung über alle spek­tra­len Kom­po­nen­ten, die mit der der op­ti­schen Ko­hä­renz­to­mo­gra­phie ver­wandt ist, ist es mög­lich im An­schluss die Tie­fen­in­for­ma­tio­nen aus den ge­spei­cher­ten Ho­lo­gram­men zu ge­win­nen. Die la­te­ra­le Auf­lö­sung liegt dabei durch die Größe der Pixel und ver­wen­de­ten Op­ti­ken im µm-Be­reich. Die axia­le Auf­lö­sung ist ab­hän­gig von der An­zahl der Wel­len­län­gen­kom­po­nen­ten und ist zur­zeit im 100 µm Be­reich zu rea­li­sie­ren. Ein Bei­spiel einer Probe mit Fo­to­gra­phie und Tie­fen­in­for­ma­ti­on ist in Ab­bil­dun­gen 2a-2b ge­ge­ben.

Bei der di­gi­ta­len Ho­lo­gra­phie wird kein ho­lo­gra­phi­sches Ma­te­ri­al zum Spei­chern des Ho­lo­gramms ver­wen­det, son­dern eine CCD- oder CMOS-Ka­me­ra. Der prin­zi­pi­el­le Auf­bau ist in Ab­bil­dung 3a ge­zeigt.

Ab­bil­dung 3a: Auf­bau zur di­gi­ta­len Ho­lo­gra­phie, O = Ob­jekt­strahl, R= Re­fe­renz­strahl

Um die Ob­jek­t­in­for­ma­ti­on zu er­hal­ten, wer­den Am­pli­tu­de und Phase des Ob­jekt­strahls aus dem Ho­lo­gramm nu­me­risch re­kon­stru­iert. Dabei kann eine la­te­ra­le Auf­lö­sung - be­grenzt durch die Pi­xel­grö­ße des CCD chips und der ver­wen­de­ten Op­ti­ken - von meh­re­ren µm er­reicht wer­den. Eine axia­le Auf­lö­sung ist im 10 nm-Be­reich er­reich­bar. Eine Re­kon­struk­ti­on eines Bond-Pads einer MOEMS Struk­tur (Ab­bil­dung 3b) ist in Ab­bil­dung 3c zu sehen.

Durch das Hin­zu­fü­gen eines Mi­kro­sko­p­ob­jek­tivs kann so­wohl die la­te­ra­le als auch die axia­le Auf­lö­sung ver­bes­sert wer­den. Au­ßer­dem kön­nen nu­me­ri­sche Am­pli­tu­den- und Pha­sen­fil­ter auf den Da­ten­satz an­ge­wen­det wer­den, so dass ver­schie­de­ne Fil­ter­ef­fek­te wie zum Bei­spiel die Dun­kel­feld­mi­kro­sko­pie ohne das Hin­zu­fü­gen von me­cha­ni­schen Kom­po­nen­ten nu­me­risch rea­li­siert wer­den kön­nen. Ein ty­pi­scher di­gi­tal ho­lo­gra­phi­scher Mi­kro­sko­pie­auf­bau ist in Ab­bil­dung 4 ge­zeigt.

Mit Hilfe der Phase kann die Hö­hen­struk­tur des zu ver­mes­sen­den Ob­jek­tes dar­ge­stellt wer­den. Eine drei­di­men­sio­na­le Dar­stel­lung des Test­charts ist in Ab­bil­dung 6 zu sehen. Es kön­nen Hö­hen­struk­tu­ren zwi­schen ca. 10 nm und 400 nm re­kon­stru­iert wer­den. La­te­ral ist die Auf­lö­sung klei­ner als 2 µm.

Ob­jek­te, die grö­ße­re Hö­hen­un­ter­schie­de be­sit­zen, kön­nen mit Hilfe des Du­al-wa­ve­length scan­nings dar­ge­stellt wer­den. Bei die­sem Ver­fah­ren wer­den zwei di­gi­ta­le Ho­lo­gram­me mit un­ter­schied­li­cher Wel­len­län­ge auf­ge­nom­men und ihre be­rech­ne­ten Pha­sen von­ein­an­der sub­tra­hiert. Die sich er­ge­ben­den Pha­sen­da­ten stel­len die Pha­sen­da­ten einer grö­ße­ren syn­the­ti­sier­ten Wel­len­län­ge dar, durch die man hö­he­re Struk­tu­ren re­kon­stru­ie­ren kann. Ab­bil­dung 7 zeigt die Re­kon­struk­ti­on von 200 µm hohen Me­tall­stu­fen, die mit zwei Ho­lo­gram­men der Wel­len­län­gen 833 und 834 nm auf­ge­nom­men wur­den.

Re­fe­renz:

• [1] Koukou­ra­kis, N., Kass­eck, C., Rytz, D., Ger­hardt, N. C., & Hof­mann, M. R. (2009). Sin­gle-shot ho­lo­gra­phy for depth re­sol­ved three di­men­sio­nal ima­ging. Op­tics Ex­press, 17(23), 21015-21029.
• [2] D. Gros­se, N. Koukou­ra­kis, N. C. Ger­hardt, T. Schlauch, J. C. Bal­zer, A. Klehr, G. Er­bert, G. Tränk­le, and M. R. Hof­mann, “Sin­gle-shot ho­lo­gra­phy with col­li­ding pulse mo­de-lo­cked la­sers as light sour­ce,” in Pro­cee­dings of the In­ter­na­tio­nal Quan­tum Elec­tro­nics Con­fe­rence and Con­fe­rence on La­sers and Elec­tro-Op­tics Pa­ci­fic Rim 2011, (Op­ti­cal So­cie­ty of Ame­ri­ca, 2011), paper C835.

Ein In­ter­fe­ro­me­ter, dass diese Sta­bi­li­täts­an­for­de­run­gen teil­wei­se um­geht, ist das selbst­re­fe­ren­zie­ren­de Com­mon-Path-In­ter­fe­ro­me­ter. An­stel­le ge­trenn­ter Ob­jekt- und Re­fe­renz­strah­len wird hier die Re­fe­renz un­mit­tel­bar aus dem Ob­jekt­strahl ge­won­nen. Zu die­sem Zweck wird ein Ob­jekt­strahl in meh­re­re Ord­nun­gen auf­ge­teilt. Nach­dem aus einer der Ord­nun­gen durch räum­li­che Fil­te­rung die Re­fe­renz er­zeugt wird, wird sie mit einer wei­te­ren, un­ge­fil­ter­ten, Ord­nung über­la­gert, wo­durch das Ho­lo­gramm ent­steht. Durch einen Win­kel­un­ter­schied zwi­schen den bei­den Strah­len (sog. Off-axis) wer­den Pro­ble­me in der Re­kon­struk­ti­on, wie z.B. das Dop­pel­bild­pro­blem, um­gan­gen. Da Ob­jekt und Re­fe­renz aus der­sel­ben Quel­le stam­men und ent­lang des glei­chen op­ti­schen Weges ver­lau­fen, wir­ken äu­ße­re Stör­ein­flüs­se in glei­cher Form auf beide Strah­len ein, so­dass sie re­la­tiv zu­ein­an­der keine Ver­schie­bung er­lei­den und in Re­la­ti­on zu­ein­an­der sta­bil blei­ben. Zudem haben Va­ria­tio­nen der Pro­ben­po­si­tio­nen kei­nen nen­nens­wer­ten Ein­fluss auf die Pha­sen­sta­bi­li­tät, da so­wohl Ob­jekt als auch Re­fe­renz aus der­sel­ben Ob­jekt­wel­len­front ge­won­nen wer­den. Die­ses Kon­zept der Selbst­re­fe­ren­zie­rung bringt enor­me Sen­kun­gen der Sta­bi­li­täts­an­for­de­run­gen mit sich. Da­durch eig­nen sich diese Sys­te­me nicht nur ideal zur On­line Über­wa­chung von Pro­ben und Pro­zes­sen (On­line-Mo­ni­to­ring), son­dern auch zur Un­ter­su­chung ver­gra­be­ner Struk­tu­ren [3,4].

Re­fe­renz:

• [3]: Fin­kel­dey, M., Gö­ring, L., Bren­ner, C., Hof­mann, M., & Ger­hardt, N. C. (2017). Depth-fil­te­ring in com­mon-path di­gi­tal ho­lo­gra­phic microsco­py. Op­tics Ex­press, 25(16), 19398-19407.
• [4]: Neutsch, K., Schnitz­ler, L., Sun, J., Tra­ne­lis, M. J., Hof­mann, M. R., & Ger­hardt, N. C. (2020, Fe­bru­ary). In-depth par­ti­cle lo­ca­liza­t­i­on with com­mon-path di­gi­tal ho­lo­gra­phic microsco­py. In Prac­tical Ho­lo­gra­phy XXXIV: Dis­plays, Ma­te­ri­als, and Ap­p­li­ca­ti­ons (Vol. 11306, p. 113060A). In­ter­na­tio­nal So­cie­ty for Op­tics and Pho­to­nics

Re­fe­renz:

• [5]: Neutsch, K., Schnitz­ler, L., Klee­mann, N., Hof­mann, M., & Ger­hardt, N. C. (2019, Oc­to­ber) "Ho­lo­gra­phic ima­ging of par­ti­cles using Lloyd’s mir­ror con­fi­gu­ra­ti­on". Face2­Phase II, Delft, the Nether­lands
• [siehe auch]: Ch­ha­ni­wal, V., Singh, A. S., Leit­geb, R. A., Ja­vi­di, B., & Anand, A. (2012). Quan­ti­ta­ti­ve pha­se-con­trast ima­ging with com­pact di­gi­tal ho­lo­gra­phic microsco­pe em­ploy­ing Lloyd’s mir­ror. Op­tics Let­ters, 37(24), 5127-5129

Für eine Viel­zahl von An­wen­dun­gen wird die Un­ter­su­chung von Pro­ben in der Trans­mis­si­ons­geo­me­trie be­vor­zugt. Mit Blick auf Uni­ver­sa­li­tät und Fle­xi­bi­li­tät bleibt ein Mach-Zehn­der-In­ter­fe­ro­me­ter in sol­chen Fäl­len eine häu­fig ver­wen­de­te Op­ti­on. Letz­te­res ist ein klas­si­sches Zwei­strahl­in­ter­fe­ro­me­ter­sys­tem und lei­det üb­li­cher­wei­se unter sei­ner hohen Emp­find­lich­keit zum Um­ge­bungs­rau­schen im Ver­gleich zu den Com­mon-Path-Lö­sun­gen. Um von der Mach-Zehn­der-Geo­me­trie zu pro­fi­tie­ren und gleich­zei­tig das Sta­bi­li­täts­pro­blem an­zu­ge­hen, kann die Grund­kon­fi­gu­ra­ti­on ge­än­dert wer­den: jeder der Eck­spie­gel kann durch ein Mi­chel­son-ähn­li­chen Zu­satz aus einem Strahl­tei­ler und einem Spie­gel er­setzt wer­den [6]. Eine sol­che Lö­sung ist in Abb. 11 sche­ma­tisch dar­ge­stellt (an­ge­passt aus [6]). Hier­durch er­hält das Sys­tem eine sta­bi­le Leis­tung [7] mit einer Pha­sen­ge­nau­ig­keit von nur 0,69° [6], wobei das In­stru­ment die Un­ter­su­chung ver­schie­de­ner Pro­ben hin­sicht­lich ihrer op­ti­schen Dicke er­mög­licht. Die Ab­bil­dungs­op­tik im Pro­ben­be­reich lässt sich ein­fach wech­seln und kom­pen­sie­ren. Bei­spie­le für An­wen­dun­gen eines sol­chen Sys­tems sind die hoch­auf­lö­sen­de Ab­bil­dung räum­lich be­grenz­ter Struk­tu­ren [6], die Tie­fen­zu­ord­nung der Par­ti­kel im Mi­kro­me­ter­be­reich [8], die On­line-Über­wa­chung der Bre­chungs­in­de­x­ent­wick­lung wäh­rend pho­to­che­mi­scher Re­ak­tio­nen [9], die Ab­bil­dung der La­dungs­trä­ger­kon­zen­tra­tio­nen in Halb­lei­ter­pro­ben [10] und viele an­de­re.