Neues holografisches Verfahren nutzt „bildstabilisierte Röntgenkamera“

Forschungskooperation entwickelt Röntgen-Holografie-Verfahren zur Stabilisierung von Röntgenaufnahmen im Nanometer-Bereich

14.03.2014

In einer Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen von Prof. M. Kläui am Institut für Physik der Johannes Gutenberg Universität und Prof. S. Eisebitt von der TU Berlin wurde ein neues Röntgen-Holografie-Verfahren entwickelt, das „Schnappschüsse“ von dynamischen Prozessen mit bisher unerreichter Auflösung in Aussicht stellt. Die Effizienz des neuartigen Verfahrens beruht auf einer fokussierenden Röntgenoptik, die mit dem abzubildenden Objekt fest verbunden ist. Dadurch liefert das Verfahren zwar zunächst eine unscharfe Abbildung, diese kann im Nachhinein jedoch fokussiert werden. Gleichzeitig löst dieser Trick (nämlich die feste Verbindung zwischen Objekt und Fokussieroptik) elegant das Problem des „Verwackelns“, was auf Nanometerskala eine enorme Rolle spielt. 

Für die Röntgen-Holografie wird „kohärentes Licht“ benötigt, bei dem die elektromagnetischen Wellen im Gleichtakt schwingen. Solches Licht produzieren Laser oder Synchrotronquellen. Bei dem verwendeten holografischen Verfahren fällt ein Teil des Röntgenlichts auf das abzubildende Objekt und ein weiterer Teil durchdringt normalerweise eine Lochblende, die sich seitlich neben dem Objekt befindet: dies ist die Referenzwelle. Durch die Überlagerung beider Wellen entsteht ein Hologramm, welches von einem Detektor aufgezeichnet wird. Eine Abbildung des beleuchteten Objekts wird dann aus dem Hologramm am Computer rekonstruiert. Doch die Lochblende besitzt einen Nachteil: Um eine scharfe Abbildung zu ermöglichen, muss sie sehr klein sein, lässt dann jedoch zu wenig Licht hindurch, um auch bei sehr kontrastarmen Objekten ein gutes Bild zu erzeugen – ein Dilemma.

Mehr Licht durch spezielle Optik

Eine Gruppe von Physikern unter Mitwirkung des MAINZ Doktoranden F. Büttner fanden als eine Lösung eine spezielle Optik: eine Fresnel-Zonenplatte. Diese wird – als Ersatz für die Lochblende – auf der Objektebene selbst platziert. Dadurch gelingt es, die Referenzwelle deutlich zu verstärken. Allerdings liegt der Fokus der Optik (der einer idealen Punkt-förmigen Lochblende entspräche) eben nicht auf der Objektebene, so dass die Abbildung unscharf wird.  Im Gegensatz zu einer Fotografie lässt sich jedoch diese Unschärfe aus einem Hologramm rechnerisch präzise korrigieren. Durch die effizientere Optik können Belichtungszeiten drastisch reduziert werden. So eignet sich die Methode nun besser, um Schnappschüsse von ultraschnellen Prozessen zu ermöglichen.

Röntgenkamera mit Bildstabilisator

Das altbekannte Problem des „Verwackelns“ durch Vibrationen des Bildgegenstandes relativ zur Optik wird umso dramatischer, je höher die Auflösung des optischen Systems ist. In der Erforschung von Methoden zur hochauflösenden Röntgenbildgebung strebt man derzeit nach Auflösung von unter zehn Nanometern. Das sind weniger als hundert Atomabstände, daher machen sich selbst kleinste Schwingungen bemerkbar. Mit dem neuen Verfahren werden die Schwingungen des Objekts mit den Schwingungen der Referenzoptik fest gekoppelt, so dass die Linse exakt wie das Objekt schwingt. Man erhält eine Röntgenkamera mit eingebautem Bildstabilisator.



Vollständige Bildunterschrift:

Als Testobjekte nutzten die Forscher den Umriss eines Geckos, der 10.000-fach verkleinert in eine Goldfolie einstrukturiert wurde und einen Ausschnitt aus dem „Siemensstern“, der hier wie eine Muschel aussieht. Das ganze Testobjekt hat mit sechs Mikrometern Durchmesser etwa die Größe eines roten Blutkörperchens. Die kleinsten noch aufgelösten Strukturen haben eine Breite von gerade einmal 46 Nanometern.