Rückgekoppelte holographische Steuerung von selbst-rekonstruierenden Laserstrahlen in stark streuenden Medien.

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239839440

Die Lichtscheibenmikroskopie hat in den letzten Jahren einen starken Einfluss auf die Entwicklung neuer intelligenter Beleuchtungsmethoden in der modernen Mikroskopie genommen, welche die 3D Bildqualität enorm verbessert haben. Dies hat nicht nur den Bereichen der Entwicklungsbiologie und der 3D Zellbiologie einen enormen Schub gegeben, sondern auch die Analyse der Laserstrahlpropagation durch stark streuende Medien wieder in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. So konnte kürzlich gezeigt werden, dass das Phasenprofil eines schwach fokussierten Laserstrahls starken Einfluss auf die Streuung in einem inhomogenen, schwach absorbierenden Medien hat. Insbesondere Besselstrahlen zeigen auch in inhomogener Materie erstaunliche Selbst-Rekonstruktionseigenschaften und eine um circa 50 % erhöhte Eindringtiefe in das Medium relativ zu gewöhnlichen Gaußstrahlen. Jedoch tragen Besselstrahlen ein konzentrisches Ringsystem mit sich, was zu einer Verschlechterung des Bildkontrastes in der Lichtscheibenmikroskopie führt.In diesem Antrag soll mit Methoden der linearen und nichtlinearen Optik die Qualität der Beleuchtungsstrahl speziell für die Lichtscheibenmikroskopie dadurch verbessert werden, indem die Abhängigkeit von verschiedenen Computer-holographisch erzeugten Phasenprofilen auf die Propagations-Eigenschaften eingehend untersucht wird. Hierzu sollen im Bereich der linearen Optik einerseits geeignete Ausleseverfahren zur Abbildung des Streulichts in verschiedenen Ebenen entwickelt werden, zum anderen sollen auf den so ermittelten Daten über Rückkopplung und Iteration verschiedene Wellenfront-Korrekturverfahren getestet und entwickelt werden. Der Kontrast-mindernde Einfluss des Ringsystems soll durch Einsatz eines Linien-konfokalen Detektionssystems massiv reduziert werden.Mit Ansätzen der nichtlinearen Optik soll die Qualität der einzelnen Laserstrahlen und damit der beleuchtenden Lichtscheibe dadurch verbessert werden, dass der Einfluss des Besselstrahl- Ringsystems nichtlinear unterdrückt wird. Dies soll einerseits durch das Prinzip der Zwei-Photonen Fluoreszenz-Anregung geschehen, wo speziell der Einfluss der Holographisch geformten Phase auf die Propagation kurzer Laserpulse durch das streuende Medium untersucht werden soll. Andererseits soll die STED-Technik zum Einsatz kommen, um über einen zweiten selbstkonstruierenden Besselstrahl höherer Ordnung die Fluoreszenz in Ringsystem durch stimulierte Emission auszulöschen. Hierbei soll zunächst mit dem Ziel der Auflösungsmaximierung die Auslöschungseffizienz durch Time-Gating erhöht werden. In einem weiteren Schritt sollen die Phasenprofile des Anregungsstrahls und des STED-Strahls durch rückgekoppelt holographische Steuerung so optimiert werden, dass die erzeugte Fluoreszenz in den einzelnen Strahlen und damit die Qualität des Lichtblattes deutlich verbessert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen