Beelden geven informatie - wat we met onze eigen ogen kunnen waarnemen, stelt ons in staat om te begrijpen. Voortdurend het waarnemingsveld uitbreiden naar dimensies die aanvankelijk voor het blote oog verborgen waren, stuwt de wetenschap vooruit. Vandaag, steeds krachtigere microscopen laten ons in de cellen en weefsels van levende organismen kijken, zowel in de wereld van micro-organismen als in de levenloze natuur.

Maar zelfs de beste microscopen hebben hun grenzen. "Om structuren en processen tot op nanoschaal en lager te kunnen observeren, we hebben nieuwe methoden en technologieën nodig, " zegt Dr. Silvio Fuchs van het Instituut voor Optica en Quantum Elektronica aan de Universiteit van Jena. Dit geldt in het bijzonder voor technologische gebieden zoals materiaalonderzoek of gegevensverwerking. "Tegenwoordig, elektronische componenten, computerchips of circuits worden steeds kleiner, ", vult Fuchs aan. Samen met collega's, hij heeft nu een methode ontwikkeld die het mogelijk maakt om zulke kleine, complexe structuren en zelfs "binnenkijken" zonder ze te vernietigen. In het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift optiek , de onderzoekers presenteren hun methode - Coherence Tomography with Extreme Ultraviolet Light (kortweg XCT) - en tonen het potentieel ervan in onderzoek en toepassing.

Licht dringt het monster binnen en wordt gereflecteerd door interne structuren

De beeldvormingsprocedure is gebaseerd op optische coherentietomografie (OCT), die al een aantal jaren een gevestigde waarde is in de oogheelkunde, legt promovendus Felix Wiesner uit, de hoofdauteur van de studie. "Deze apparaten zijn ontwikkeld om het netvlies van het oog niet-invasief te onderzoeken, laag voor laag, om driedimensionale beelden te maken." Bij de oogarts, OCT gebruikt infrarood licht om het netvlies te verlichten. De straling wordt zo gekozen dat het te onderzoeken weefsel deze niet te sterk absorbeert en kan worden gereflecteerd door de inwendige structuren. Echter, de natuurkundigen in Jena gebruiken voor hun OCT extreem kortgolvig UV-licht in plaats van langgolvig infraroodlicht. "Dit komt door de grootte van de structuren die we willen afbeelden, ", zegt Felix Wiesner. Om te kijken naar halfgeleidermaterialen met structuurgroottes van slechts enkele nanometers, licht met een golflengte van slechts enkele nanometers is nodig.

Niet-lineair optisch effect genereert coherent extreem kortgolvig UV-licht

Het genereren van dergelijk extreem korte golf UV-licht (XUV) was vroeger een uitdaging en was bijna alleen mogelijk in grootschalige onderzoeksfaciliteiten. Jena-fysici, echter, genereer breedband XUV in een gewoon laboratorium en gebruik hiervoor zogenaamde hoge harmonischen. Dit is straling die wordt geproduceerd door de interactie van laserlicht met een medium en heeft een frequentie die vele malen groter is dan die van het oorspronkelijke licht. Hoe hoger de harmonische orde, hoe korter de resulterende golflengte. "Op deze manier, we genereren licht met een golflengte tussen 10 en 80 nanometer met behulp van infrarood lasers, " legt prof. Gerhard Paulus uit, Hoogleraar niet-lineaire optica aan de Universiteit van Jena. "Als het uitgestraalde laserlicht, het resulterende breedband XUV-licht is ook coherent, wat betekent dat het laserachtige eigenschappen heeft."

In het werk beschreven in hun huidige paper, de natuurkundigen stelden nanoscopische laagstructuren in silicium bloot aan de coherente XUV-straling en analyseerden het gereflecteerde licht. De siliciummonsters bevatten dunne lagen van andere metalen, zoals titanium of zilver, op verschillende diepten. Omdat deze materialen andere reflecterende eigenschappen hebben dan het silicium, ze kunnen worden gedetecteerd in de gereflecteerde straling. De methode is zo nauwkeurig dat niet alleen de diepe structuur van de minuscule monsters kan worden weergegeven met nanometer-nauwkeurigheid, maar vanwege het verschillende reflectiegedrag kan ook de chemische samenstelling van de monsters nauwkeurig worden bepaald en, bovenal, op een niet-destructieve manier. "Dit maakt coherentietomografie een interessante toepassing voor het inspecteren van halfgeleiders, zonnecellen of meerlagige optische componenten, ", zegt Paulus. Het zou kunnen worden gebruikt voor kwaliteitscontrole in het fabricageproces van dergelijke nanomaterialen, om interne defecten of chemische onzuiverheden op te sporen.