DE102021005684A1

DE102021005684A1 - STED-Verfahren mit Hohllichtwellenleitern

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Publication number: DE102021005684A1
Application number: DE102021005684.1A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Es wird eine hochauflösende fluoreszenz-basierte Mikroskopievorrichtung und -verfahren auf Basis von RESOLFT / STED / GSD ausgestattet mit biegsamen hochflexiblen (Mikro-)Hohlkapillaren zur Strahlführung und -formung vorgestellt, um in einer verschmutzten Messumgebung in kritischer Atmosphäre schwer zugängliche Stellen auf einer Probenoberfläche erreichen zu können, ohne dass das energiereiche Anregungslicht (meist und daher bevorzugt im UV-Bereich) und das Fluoreszenzlicht (Emissionslicht meist und daher bevorzugt im Vis/IR-Bereich) eine hohe Dämpfung oder Dispersion besitzen.
Dazu werden das Anregungs- und das Emissionslicht mittels einer Hohlkapillare zu den schwer zugänglichen Stellen auf der Probenoberfläche hin- und weggeführt. Dabei ist die Innenseite der Hohlkapillare mit einer speziellen Beschichtung versehen, die durch einen CVD-Prozess, bevorzugt einen OMCVD-, MOCVD-, EOCVD oder OECVD-Prozess oder einen CVI-Prozess, auf die Innenseite der Hohlkapillare aufgebracht worden ist, wodurch das geführte Anregungs- und Emissionslicht eine vernachlässigbare Dämpfung und Dispersion besitzt und außerdem seine Polarisationsrichtung beibehält. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um den RESOLFT-Messvorgang durchführen zu können.

Description

Stand der Technik:
Es folgt zunächst eine Übersicht über die zurzeit gängigen hoch- oder superauflösenden Mikroskopiemethoden. Viele von ihnen basieren auf Fluoreszenztechniken.
RESOLFT:
Gemäß [1] umfasst RESOLFT (Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions) die beiden superauflösenden Fluoreszenz-Mikroskopietechniken STED und GSD, wobei STED und GSD verschiedene Realisierungen des RESOLFT-Konzepts darstellen. Allerdings wird in der Literatur manchmal RESOLFT und STED gleichgesetzt oder bezeichnen verschiedene Ausführungsformen desselben Konzepts ( DE 10 2011 055 367 A1 , DE 10 2015 105 018 A1 ), siehe dazu die weiter unten stehenden Erörterungen.
STED:
Das STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy) Verfahren beruht auf Übergänge zwischen energetisch unterschiedlichen elektronischen Zuständen, die nacheinander ablaufen [2] - [6].
Damit das STED Verfahren durchgeführt werden kann, ist es wichtig, dass drei unterschiedliche (elektronische) Zustände oder Energieniveaus in der Probe bzw. in dem die Probe markierenden Fluoreszenzfarbstoff existieren:

- Der unterste oder energetisch niedrigste Zustand Z1:
- Der energetisch niedrigste Zustand ist ein nicht-fluoreszenter oder nicht-fluoreszenzfähiger Zustand. Er wird auch Dunkelzustand genannt.
- Der mittlere oder energetisch mittlere Zustand Z2:
- Der energetisch mittlere Zustand ist ein fluoreszenter oder fluoreszenzfähiger Zustand. Er wird auch Hellzustand genannt.

Den Übergang vom nicht-fluoreszenten Zustand in den fluoreszenten Zustand wird auch Einschalten, Anschalten oder Aktivierung oder Einstellen oder Umschalten genannt. Der Übergang vom fluoreszenten Zustand in den nicht-fluoreszenten Zustand wird auch Ausschalten oder Abschalten oder Deaktivierung oder Umschalten genannt.

- Der oberste oder energetisch höchste Zustand Z3:
- Der energetisch höchste Zustand ist ein fluoreszierender Zustand, da das Atom / Molekül in diesem Zustand ein Fluoreszenzphoton emittieren kann. Auch er ist zusammen mit dem fluoreszenzfähigen oder fluoreszenten Zustand Z2 Teil des Hellzustandes.

Der Übergang vom fluoreszenten Zustand in den fluoreszierenden Zustand wird Anregung genannt, der Übergang vom fluoreszierenden Zustand in den fluoreszenten Zustand wird als Abregung oder Stimulation bezeichnet und kann durch stimulierte Emission von Fluoreszenzlicht geschehen. Auch strahlungslose Übergänge sind möglich (z.B. Quenchen).
Das Aktivierungs-, Anregungs-, Abregungs- und Deaktivierungslicht können unterschiedliche Wellenlängen besitzen.
Noch eine ergänzende Anmerkung zu den oben aufgeführten Definitionen:

Als Hellzustand bezeichnet man den fluoreszenzfähigen Zustand Z2 und eventuell auch den fluoreszierenden Zustand Z3, da durch den Übergang zwischen beiden ein FluoreszenzPhoton emittiert wird, welches mittels eines optischen Detektors detektiert werden kann, so dass dadurch ein hochauflösendes Bild entstehen kann. Somit ist der Hellzustand das Gegenteil vom Dunkelzustand.

Beim STED Verfahren befinden sich im Ausgangszustand die fluoreszierenden Farbstoffmoleküle (Fluorophore) auf der Probenoberfläche in einem zu detektierenden, kreisförmigen Bereich B1 im energetisch untersten Zustand Z1 (nicht-fluoreszenter Zustand). In einem ersten Belichtungsschritt werden durch einfallendes Aktivierungs- oder Anschaltlicht S1 mit entsprechender Wellenlänge sämtliche Fluorophore vom nicht-fluoreszenten Zustand Z1 in den energetisch mittleren Zustand Z2 (fluoreszenter Zustand) angehoben. In einem zweiten Belichtungsschritt werden durch einfallendes Anregungslicht S2 mit entsprechender Wellenlänge sämtliche Fluorophore im zu detektierenden Bereich B1 vom fluoreszenten Zustand Z2 in den energetisch höchsten fluoreszierenden Zustand Z3 gebracht. In einem dritten Belichtungsschritt wird mit einem Abregungslichtstrahl S3, der zentral in der Mitte eine Nullstelle und an den Rändern eine Intensität ungleich Null besitzt, der Randbereich RB1 des Bereichs B1 durch stimulierte Emission abgeregt, so dass die sich in diesem Randbereich RB1 befindlichen Fluorophore von dem fluoreszierenden Zustand Z3 wieder in den fluoreszenten Zustand Z2 zurückkehren. Man nennt diesen Lichtstrahl mit dem charakteristischen Donut-Profil auch STED-Lichtstrahl oder auch Fluoreszenzverhinderungs- oder Stimulationslichtstrahl.
Da der beaufschlagende Abregungslichtstrahl S3 zentral eine Nullstelle besitzt, d.h. also zentral keine Intensität besitzt, bleiben dort die wenigen oder sogar idealerweise nur ein einzelnes Fluorophor im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese können nun selber spontan durch Fluoreszenz, d.h. durch Emission eines Fluoreszenzphotons, in den fluoreszenten Zustand Z2 zurückkehren. Es besteht aber nun auch die Möglichkeit, durch einen weiteren, zusätzlichen Abregungsstrahl S4 ohne zentrale Nullstelle die in der zentralen Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3 verbliebenen Fluorophore durch eine weitere stimulierte Emission gezielt abzuregen, so dass man den Zeitpunkt der Fluoreszenzemission selber wählen oder festlegen kann.
Die somit von den in der zentralen Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3 verbliebenen wenigen Fluorophore emittieren dann spontan oder stimuliert die Fluoreszenzphotonen, die dann auf die Detektoroberfläche gelangen. Da die Emission der Fluoreszenzphotonen von den Fluorophoren innerhalb und außerhalb der zentralen Nullstelle sukzessiv stattfindet, kann man somit eine Abbildung der Oberfläche erzielen, die eine Auslösungsgrenze besitzt, die weit unterhalb von der klassischen nach Abbe liegt.
Der Abregungsvorgang selber ist aber eigentlich aus rein wellenoptischer Sicht ebenfalls beugungsbeschränkt: würde die Abregung linear mit der Intensität des Abregungsstrahls erfolgen, wäre keine wesentliche Verbesserung oder Erhöhung der Auflösung nach Abbe zu erzielen [6]. Jedoch erst durch einen Materialeffekt, nämlich der Sättigung der Abregung mit dem Abregungslichtstrahl lässt sich die Auflösungsgrenze überwinden [6]: wie bereits weiter oben ausgeführt, besitzt die Intensität des Abregungsstrahls S3 zentral eine Nullstelle, die allerdings nicht stufenförmig ausgebildet ist, sondern innerhalb des Querschnitt-Strahlprofils des Abregungsstrahls erfolgt der Übergang vom Randbereich RB1 mit maximaler Intensität zum Mittelpunkt der zentral gelagerten Nullstelle stetig, so dass eigentlich nur in einem sehr, sehr kleinen zentral gelegenen Nullstellen-Bereich NB1 der Nullstelle die Intensität wirklich gleich null beträgt. Bereits geringste Intensitäten des Abregungsstrahls reichen allerdings aus, um den fluoreszierenden Zustand Z3 komplett zu entvölkern, d.h. alle angeregten Elektronen vom angeregten Zustand Z3 in den abgeregten Zustand Z2 zu überführen. So bleiben nur in einem sehr, sehr kleinen Teilbereich, nämlich im Bereich der Nullstelle NB1, die Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3, der der Mitte der Nullstelle des Abregungslichtstrahls entspricht. Der Durchmesser dieses Teilbereichs, nämlich des Bereichs der Nullstelle NB1, liegt weit unterhalb der klassischen Beugungsgrenze. Das Unterschreiten der klassischen optischen Auflösungsgrenze nach Abbe erfolgt also nicht auf rein wellenoptischem Wege, sondern wird mit Hilfe eines materialeigenen Effekts, nämlich der Sättigung, erreicht.
Der Abregungsstrahl S3 muss nicht unbedingt kreisförmig oder rotationssymmetrisch mit einer zentralen Nullstelle sein. Denkbar sind auch alle anderen Intensitätsverteilungen, die jedoch mindestens eine Nullstelle oder ein zumindest lokales Intensitäts-Minimum besitzen müssen. Denkbar sind auch mehrere Nullstellen angeordnet in einem Array (Gitter) ( DE 10 2006 009 833 A1 ), andere nicht-punktförmige geometrische Figuren oder eine linienförmige Nullstelle. Letzteres würde sich besonders anbieten, wenn man große Probenbereiche abzuscannen hat und wenn nur eine Raumdimension interessant ist für eine superaufgelöste Darstellung (Linienscan).
Wenn die zu untersuchenden Stoffe autofluoreszent sind, d.h. sie fluoreszieren von alleine, ohne dass man einen fluoreszenten Farbstoff (Fluorophor) zugeben und immobilisieren muss, dann kann STED und die anderen Vorgänge auch ohne Fluorophor durchgeführt werden, wodurch ein aufwendiger Prozessschritt (Immobilisieren der Fluorophore) unterlassen werden kann.
Die optischen Eigenschaften der Fluoreszenzstrahlung (Wellenlänge, Intensität, Halbwertszeit, der Lebensdauer, Polarisation etc.) hängen auch von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der atomaren / molekularen Umgebung ab. Insbesondere die Wellenlänge der emittierten Fluoreszenzstrahlung wird von der atomaren / molekularen Umgebung beeinflusst (chemical-shift). Somit lassen sich aus der detektierten Fluoreszenzstrahlung, insbesondere der Wellenlänge, aber auch aus den übrigen optischen Eigenschaften der emittierten Fluoreszenzstrahlung, Rückschlüsse und Informationen ziehen über die physikalisch-chemischen Eigenschaften und über die atomare / molekulare Struktur der unmittelbaren Umgebung des Fluorophors.
Vom Prinzip lässt sich daher alles, was bei der normalen oder klassischen Fluoreszenzspektroskopie oder -mikroskopie realisiert worden ist (zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung, Mapping, Scanning, Lebensdauer-Imaging-Nanoskopie (FLIN) etc.) auch auf STED anwenden und übertragen.
RESOLFT:
Im Allgemeinen bezeichnet man mit RESOLFT einen Oberbegriff, der u.a. STED und GSD umfasst. Jedoch wird in manchen Literaturstellen das RESOLFT-Verfahren wie folgt beschrieben ( DE 10 2011 055 367 A1 , DE 10 2015 105 018 A1 ): Ein Großteil der Fluorophore befindet sich im fluoreszenzfähigen Zustand Z2. Durch ein Abschalt- oder Umschaltsignal (Fluoreszenzverhinderungslicht) werden die meisten sich im fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2 befindlichen Fluorophore in den nicht-fluoreszenzfähigen Dunkelzustand transferiert.
So bleiben auf der Probenoberfläche nur noch wenige und räumlich voneinander weit beabstandete Fluorophore im fluoreszenzfähigen Zustand Z2 übrig, die durch Anregungslicht in den fluoreszierenden Zustand Z3 gebracht werden und von dort Fluoreszenzphotonen emittieren können, welches detektiert und zur Bildgebung beitragen können. Falls sich alle Fluorophore im nicht-fluoreszenzfähigen Dunkelzustand Z1 befinden, kann man durch eine geringe Dosis eines Anschaltsignals (Fluoreszenzermöglichungslicht) eine kleine Teilmenge der Fluorophore von dem Dunkelzustand Z1 in den fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2 überführen und dann wie weiter oben beschrieben fortfahren.
Im Allgemeinen versteht man jedoch unter der im vorhergehenden Absatz beschriebenen Ausführungsform das GSD-Verfahren, auf das im folgenden Abschnitt noch einmal detailliert eingegangen wird und welches lediglich eines von mehreren Ausführungsformen des grundlegenden RESOLFT-Prinzps darstellt.
GSD:
Hierzu wird auf die Druckschriften DE 10 2006 047 912 A1 , US 2011/0215258 A1 sowie [7] - [9] verwiesen. Beim GSD (Ground State Depletion)-Verfahren erfolgt durch den Abregungsstrahl S3 keine Abregung vom fluoreszierenden Zustand Z3 in den fluoreszenten Zustand Z2, sondern stattdessen wird vor der Fluoreszenzanregung ein Übergang vom fluoreszenten Zustand Z2 in den nicht-fluoreszenten Dunkelzustand Z1 (Fall1) oder nach Anregung ein Übergang vom fluoreszierenden Zustand Z3 in den nicht-fluoreszenten Dunkelzustand Z1 induziert (Fall 2), und zwar entweder bevor das Anregungslicht S2 die Elektronen vom fluoreszenten Zustand Z2 in den fluoreszierenden Zustand Z3 anregen werden (Fall 1) oder nachdem das Anregungslicht S2 die Elektronen vom fluoreszenten Zustand Z2 in den fluoreszierenden Zustand Z3 angeregt hat.
Beim Dunkelzustand handelt es sich oft um einen langlebigen Triplettzustand. Das Ausführungsbeispiel nach Fall 1 wird noch einmal detailliert erörtert: Vor der Anregung der Fluorophore in den fluoreszierenden Zustand Z3 befinden sich die (meisten) Fluorophore im fluoreszenten Zustand Z2. Durch ein Umschaltsignal kann ein Großteil der sich im Zustand Z2 befindlichen Fluorophore in einen langlebigen Dunkelzustand gelangen, so dass sie für eine Fluoreszenzanregung nicht mehr zur Verfügung stehen. Nun befinden sich nur noch wenige Fluorophore im fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2, die voneinander durchschnittlich weit beabstandet sind. Durch ein geeignetes Anregungslicht werden diese wenigen, weit räumlich voneinander entfernten und somit voneinander isolierten Fluorophore in den fluoreszierenden Zustand Z3 gebracht; durch Emission von Fluoreszenzphotonen gelangen sie wieder in den Ausgangszustand Z2 zurück, während die emittierten Fluoreszenzphotonen detektiert und zur Bildgebung verwendet werden können.
Im Prinzip ist das STED-Verfahren nicht auf elektronische An- und Abregungen und Übergänge zwischen elektronischen Elektronenniveaus beschränkt, sondern auch andere Arten von An- und Abregungen wie beispielsweise zwischen einzelnen Vibrations- oder Rotationsniveaus des Fluorophormoleküls erscheinen möglich. Erfolgt beispielsweise der Abregungsvorgang von Z3 zu Z2 zwischen zwei Vibrationsniveaus in demselben elektronisch angeregten Zustand, dann kann anstelle eines UV-Fluoreszenzphotons ein IR-Photon emittiert werden; oder wenn sich der Fluorophor im Zustand Z3 befindet, und zwar in Form eines hohen Vibrationszustandes in einem elektronisch angeregten Zustand, dann kann ein IR-Abregungsstrahl S3 oder S4 den Fluorophor in einen niedrigeren Vibrationszustand im selben elektronisch angeregten Zustand bringen, von dem es dann mittels Emission eines Fluoreszenzphotons in den elektronischen Grundzustand übergeht. Anstelle der normalen Fluoreszenzübergänge im STED-Prozess kann auch Röntgenfluoreszenz angewandt werden, zumal Röntgenstrahlung eine sehr viel geringe Wellenlänge besitzt, was für das Auflösungsvermögen vorteilhaft ist.
Ebenfalls sind auch andere optische oder nicht-optische Aktivierungs- oder Anregungsarten, z.B. mittels Ramanprozesse, elastische oder inelastische Stoß- oder Streuprozesse mit Elektronen, Protonen oder anderen Partikeln, denkbar, um von einem energetisch unteren Zustand Z1 zu einem energetisch mittleren Zustand Z2 oder von einem energetisch mittleren Zustand Z2 zu einem energetisch hohen Zustand Z3 zu gelangen. Beispielsweise kann man mittels einer angelegten Spannung oder opto-akustischer Prozesse u.a. die Fluorophore von dem Zustand Z1 in den Zustand Z2 oder vom Zustand Z2 in den Zustand Z3 bringen, oder mittels Elektrolumineszenz kann man die Fluorophore vom Zustand Z1 in den Zustand Z2 oder vom Zustand Z2 in den Zustand Z1 oder von Z2 nach Z3 oder von Z3 nach Z2 befördern. Allerdings würde man bei diesen alternativen An- und Abregungsarten, durch die der Fluorophor insbesondere vom Zustand Z3 in den Zustand Z2 gelangt, schon allein wegen der fehlenden Nullstelle die Ortsauflösung verlieren; es sei denn, man beherrscht einen Prozess, bei denen Partikel durch inelastische Stoß- oder Streuprozesse einen Teil der Energie ortsgenau abgeben könnten, um den Fluorophor (elektronisch) an- oder abzuregen, insbesondere vom Zustand Z3 in den Zustand Z2, weil hochbeschleunigte Teilchen wie beispielsweise Elektronen nach de Broglie eine Wellenlänge besitzen, die weit unterhalb der optischen Wellenlängen liegen, nämlich im unteren Nanometerbereich.
Anstelle von Nullstellen könnte man die Minima oder Maxima von Beugungs- und Interferenzmustern von miteinander interferierenden Elektronen oder der Fokus eines Elektronenstrahls zur ortsgenauen An- oder Abregung der Fluorophore verwenden, da der Durchmesser der Interferenzstreifen oder der Fokusdurchmesser wegen der de Broglie-Beziehung bei hoher Teilchenenergie viel kleiner als die Nullstelle des Abregungslichts S3 sein kann.
Wenn die Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, um eben eine sehr geringe de Broglie-Wellenlänge zu erhalten, aber dadurch eine zu hohe Energie für die resonante An- oder Abregung des Fluorophors besitzen, dann können die Elektronen auch streifend einfallen, um nur einen Teil der Energie an den Fluorophor abzugeben. Ein weiterer Vorteil wäre es, dass durch einen streifenden Einfall der Fluorophor nicht so einfach zerstört werden würde. Wegen der im Vergleich zu Elektronen größeren Masse könnte man gemäß der de Broglie-Beziehung mit auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigten Protonen und Neutronen noch viel geringere Wellenlängen und somit auch viel geringere Fokusdurchmesser und schmalere Interferenzstreifen erzielen; allerdings wächst auch die Gefahr, die Probe oder den Fluorophor durch den Einfall dieser massereichen Teilchen zu zerstören. Somit könnte nur tote Materie wie Halbleitermaterialien, aber keine empfindlichen organischen Proben untersucht werden.
Es existieren bereits ein paar STED-Verfahren, in denen das Anregungslicht durch Faseroptiken geleitet wird [10] ( US 2016/0170136 A1 , CN 000105241857 A , CN 000104296685 A , CN 000103616330 A , DE 10 2007 048 135 B4 , DE 103 40 964 A1 , US 2014/0369370 A1 , US 2010/0142054 A1 , US 2007/0025662 A1 ). Jedoch geschieht dies nicht zur Stahlführung oder Strahlformung, sondern um die optischen Eigenschaften des Anregungsstrahls (Wellenlänge, Spektralbreite etc.) zu verändern und somit für die jeweilige spezielle Anwendung zu optimieren.
Nur wenige STED-Verfahren besitzen eine Faseroptik für den Anregungs- oder Emissionslichtstrahl ( CN 000105467610 A ). Vorteil einer solchen Anordnung ist es, dass man auch Oberflächen untersuchen kann, die durch einen freiraumoptischen Aufbau nicht oder nur schwer zu erreichen sind, da die zu vermessende Probenoberfläche sich entweder hinter einer Hinterschneidung, in einer tiefen Bohrung, in Löchern oder Kanälen oder sonst irgendwie verdeckt oder versteckt und somit schwer zugänglich „um eine Ecke herum“ oder in einer (chemisch) aggressiven oder feuchten Umgebung, wie es häufig bei Werkstoff- oder Materialprüfungen der Fall ist, oder in einer sehr hellen Umgebung oder in einer strahlenbelasteten Umgebung, bei der beispielsweise die (radioaktive) Hintergrundstrahlung oder sonst wie ein Streulicht den STED-Messvorgang stören könnte, befindet.
Auch Probenoberflächen, die beispielsweise untersuchungs- oder anwendungsbedingt mit einem Medium bedeckt sind, beispielsweise durch Wasser oder durch Pulver, Sand, Schaum oder Wasserdampf mit einer hohen Absorption gerade für die Anregungs- und/oder Emissionswellenlänge, oder die sich innerhalb fremder Laserstrahlung oder eines Mediums befinden, wie beispielsweise innerhalb von Gasen, Plasmen, Nebel, Dämpfe oder die sonst irgendwie verdreckt sind, sei es durch Rauch oder andere für die Messung schädliche oder aggressive Umgebungsbedingungen am Messarbeitsplatz (hohe Temperatur und/oder Drücke), die sich vor Ort (z.B. in einer Produktionsstätte in einer Fabrik) nicht ohne weiteres abstellen lassen, lassen sich nicht mittels Freiraumoptiken, sondern nur mittels Faseroptiken untersuchen.
Der Nachteil von Faseroptiken ist jedoch, dass erstens die Dämpfung besonders für UV-Licht, welches oft als energiereiches Anregungslicht verwendet wird, besonders hoch ist (es sei denn, man verwendet Faseroptiken aus reinstem Quarzglas, was sehr teuer ist, oder aus Calciumfluorid, welche schwer herstellbar und kaum kommerziell erwerbbar sind) und zweitens werden die optischen Eigenschaften des Anregungs- und/oder Emissionslichtstrahls wie Polarisation, Intensität, Gruppen- oder Phasengeschwindigkeit, Phase etc. durch die Faseroptiken aufgrund ihrer Materialeigenschaften (Materialdämpfung, Dispersion, Anisotropie, NLO, usw.) auf unerwünschte Weise verändert.
Bisher ist kein hochauflösendes Mikroskopieverfahren bekannt, welches Probenoberflächen an schwer zu erreichenden Stellen, beispielsweise um die Ecke oder hinter Hinterschneidungen (sog. Zweieinhalb-dimensionale Strukturen in der Mikrotechnik) oder unter Wasser oder in einem fließenden fluiden Medium z.B. in einem Strömungsrohr oder einem Mikrokanal, oder in einer anderen feindlichen Umgebung (z.B. stark verraucht oder mit Wasserdampf vernebelt, wie es oft in Produktionsstätten auch in der Mikrotechnik (Ätzen, Sputtern, Spraying, Coating, Plasmabehandlung u.a.) anzutreffen ist) untersuchen kann, ohne dass das Anregungslicht (oft UV-Strahlung) oder das Emissionslicht (oft im Vis/IR-Bereich) stark absorbiert oder sonst irgendwie manipuliert wird.
Kapillarhohlstrukturen konnten sich als Kapillaroptiken für die Fokussierung von Röntgen- und Neutronenstrahlung etablieren ( DE 10 2007 049 929 A1 , DE 10 2007 049 930 A1 , WO 2008/135542 A1 , DE 10 2007 020 800 A1 ; EP 2 152 928 A1 , WO 2007/079975 A1 , WO 2007/079975 A8 , DE10 2005 063 127 A1 , US 2009/138996 A1 , EP 1 969 606 A1 ).
Unter Kapillaroptiken / Hohlkapillaren / Hohlleiter werden hier Strukturen verstanden, die aus einem (Monokapillare oder Monokapillaroptik) oder aus mehreren (Polykapillare, Polykapillaroptiken oder Multikanalstruktur) zueinander räumlich in regelmäßigen Abständen angeordneten, durchgehenden und an den Enden offenen Kanal oder Kanälen bestehen.
In den optischen Technologien erfolgt die Strahlführung häufig durch optische Komponenten bestehend aus Glas wie zum Beispiel Glasfasern. Kapillaroptiken stellen ähnliche Strahlführungssysteme oder Lichtleiter dar, deren Kanal hohlzylindrisch oder hohlelliptisch aus einer Wandung aus Glas bestehen. Dabei wird der (Röntgen-)Lichtstrahl an der Wandung im Innenkanal der Optik durch eine (äußere oder externe) Totalreflexion reflektiert: Für Röntgenstrahlung ist der Brechungsindex von Materie wenig kleiner als eins. Dies resultiert aus einer Phasengeschwindigkeit der Röntgenstrahlung im Material, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit [11]. Darauf wird weiter unten noch detailliert eingegangen. Im Gegensatz zur allgemein bekannten inneren oder internen Totalreflexion ist die äußere oder externe Totalreflexion meist nur Fachleuten aus der Röntgenoptik geläufig.
Durch eine ellipsoide Kanalformung kann bei einer Platzierung der Quelle im ersten Brennpunkt besonders hohe Strahlfokussierung im zweiten Brennpunkt erreicht werden. Die Herstellung von Kapillaroptiken erfolgt aus regulär angeordneten, unbeschichteten Glaskapillaren oder Glasstäbchen mit Hilfe verschiedener Zieh- und Sinterprozesse.
Dabei bestehen Kapillaroptiken zurzeit ausschließlich aus Glas, da Glas wegen seiner einzigartigen technisch-physikalischen und chemischen Eigenschaften (hohe Strahlungsresistenz, sehr gute Formbarkeit, optimale Fließeigenschaften und eine einfache Verarbeitbarkeit) der alleinige Werkstoff ist, der die hohen Anforderungen für die Herstellung von Polykapillarstrukturen uneingeschränkt erfüllt. Zudem weist Glas die erforderliche sehr geringeRauheit auf. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Oberflächenrauheit für Flachglas mit rms = 0,2 nm sehr niedrig ist [12].
Nachteilig bei den Kapillaroptiken ist ihre verhältnismäßig geringe Effizienz, weil der kritische Winkel bei der äußeren oder externen Totalreflexion sehr klein ist. Die Reflektivität von Oberflächen nimmt mit flacher werdendem Einfallswinkel zu. Wie bereits oben diskutiert besitzen sehr viele Festkörper für Röntgenstrahlung eine Brechzahl kleiner als eins; und im Falle einer Brechzahl, die kleiner als eins ist, kann es bei sehr flachen Einfallswinkeln sogar zu einer Totalreflexion kommen. Deshalb werden in der Röntgenoptik häufig Spiegel, aber auch Kapillaroptiken unter streifendem Einfall benutzt. Dadurch wird nur ein sehr geringer Anteil durch die Glaswandung transmittiert.
Durch eine nachträgliche metallische Beschichtung der Kapillaroptik bestehend aus einem Hoch-Z-Material (Material, das aus Elementen mit einer hohen Ordnungszahl Z besteht High-Z-Element) kann der kritische Winkel der Totalreflexion und damit der Raumwinkel signifikant gesteigert werden. Durch eine solche Innenvergütungen konnten deutliche gesteigerte Reflektivität erfolgreich realisiert werden (siehe Liste in Anhang: „Eigene Patente (Jörn Wochnowski)“).
Durch Unebenheiten in der Oberfläche (Oberflächenrauigkeit) entsteht unerwünschte diffuse Streuung. Wenn die Oberflächenrauigkeit deutlich kleiner als die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes ist, tritt nur eine vernachlässigbare diffuse Streustrahlung im Verhältnis zum reflektierten Anteil auf, so dass Reflexionsbeschichtungen für Strahlung mit einer großen Wellenlänge verhältnismäßig geringe Anforderungen an die Planarität erfordern. Ist jedoch die Oberflächenrauigkeit gleich oder größer als die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes, kommt es hauptsächlich zu einer diffusen Streustrahlung und nur zu einem sehr geringen Reflexionsanteil.
Unbeschichtete Kapillaroptiken werden bereits mit einer sehr hohen Verbreitung beispielsweise in analytischen Instrumenten, jedoch bisher nicht in STED-Verfahren eingesetzt. Wie bereits weiter oben angedeutet, lassen sich Kapillaroptiken durch geeignete Beschichtungsverfahren von innen nachträglich innenbeschichten / funktionalisieren und damit deutlich leistungssteigern (siehe Liste in Anhang: „Eigene Patente (Jörn Wochnowski)“), worauf im Folgenden detailliert eingegangen wird:

Hierbei kommt der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) eine besondere Bedeutung zu. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird an der Oberfläche eines Substrates aus der Gasphase infolge einer chemischen Reaktion eine Feststoffkomponente abgeschieden. Dazu werden flüchtige Verbindungen (Precursoren) verwendet, aus denen sich bei bestimmten geeigneten Prozessparametern feste Schichten oder Partikel abscheiden. Im Gegensatz zur verallgemeinerten Definition nach Fischer wird hier aus pragmatischen Gründen eine Differenzierung der Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung nach den Precursorverbindungen in Organometall- (OMCVD), Metallorganische- (MOCVD), Elementorganische- (EOCVD) und Organischeelement- (OECVD) CVD-Verfahren vorgenommen.

Für die Substrate, wie beispielsweise Hohlfasern, Faserbündel oder Multikanalstrukturen wird anstelle des CVD-Prozesses das CVI-Verfahren (Chemical Vapour Infiltration) verwendet, dass im Gegensatz zum CVD-Verfahren eine gleichmäßigere Innenbeschichtung dieser Substrate ermöglicht.
Das Schichtwachstum findet bei der chemischen Gasphasenabscheidung über mehrere komplexe chemische und physikalische Prozesse einhergehend mit einer chemischen Stoffumwandlung statt. Diese lassen sich durch mehrere Teilschritte beschreiben.
Im Schritt 1 kommt es zum Antransport der verdampften oder sublimierten gasförmigen Organometall-, Metallorganischen-, Elementorganischen- oder Komplexverbindung(en) infolge von Strömung oder Diffusion an das zu beschichtende Substrat. Die Abscheidung kann dann durch zwei alternative Wege erfolgen: Beim ersten Weg finden Reaktionen in der Gasphase durch Energieeinkopplung statt, wobei die Liganden des Precursors (partiell) abgespalten werden. Die Zwischenstufen des Precursors adsorbieren am Substrat und reagieren analog dem zweiten Weg weiter. Beim zweiten Weg wird der Precursor unzersetzt am Substrat adsorbiert. Die Liganden werden dann erst an der Oberfläche durch Energieeinkopplung in nachfolgenden Oberflächenreaktionen abgespalten. Die abgespaltenen leichtflüchtigen Liganden desorbieren von der Oberfläche und werden abtransportiert [13]. Die einzelnen abgeschiedenen Schicht- und Partikelsysteme können sich in einer Vielzahl von Kriterien wie beispielsweise hinsichtlich ihrer Schichtarten, Partikelgrößen, Partikelgrößenverteilung, Korngrenzen, Schichtdicken, Amorphität oder Kristallinität, Topographie, Dichte, Morphologie, Korrugation (Z beziehungsweise Höhe), Oberflächenrauigkeit, Interfacerauigkeit, mechanische Spannungen, Fehlordnung und Relaxation, Textur, Gitterfehlanpassung, Haftung, chemische Zusammensetzungen und Reinheiten sehr stark voneinander unterscheiden und variieren.
Die Art der abgeschiedenen Schichtstrukturen können durch eine geeignete Wahl der folgenden Prozessbedingungen wesentlich beeinflusst werden:

• Substratwahl
• Prozessdrücke
• Substrattemperaturen
• Wachstumsraten
• Verunreinigungen
• (Thermische) Nachbehandlung(en)
• Precursor(en)auswahl

Abhängig von den verwendeten Beschichtungssubstraten werden sogenannte „growth surfaces“ und „non-growth surfaces“ voneinander unterschieden. Dabei besteht eine enge Korrelation zwischen den jeweils verwendeten Substraten und den auf ihnen abgeschiedenen Schichtstrukturen, die sich teilweise fundamental hinsichtlich ihrer Morphologie, Topographie und ihrer physikalischen beziehungsweise chemischen Zusammensetzungen voneinander unterscheiden können.
Deswegen kommt der Kenntnis um die Art und die Auswahl des geeigneten Beschichtungssubstrates (Innenseite der Hohlkapillare) eine ebenso große Bedeutung für den Schichtaufbau zu wie der Auswahl der Precursoren, aber auch den Prozessbedingungen wie beispielsweise der Substrattemperatur.
Wie bereits weiter oben erwähnt, entsteht durch Unebenheiten in der Oberfläche (Oberflächenrauigkeit) unerwünschte diffuse Streuung. Wenn die Oberflächenrauigkeit deutlich kleiner als die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes ist, tritt nur eine vernachlässigbare diffuse Streustrahlung im Gegensatz zum reflektierten Anteil auf, so dass Reflexionsbeschichtungen für Strahlung mit einer großen Wellenlänge verhältnismäßig geringe Anforderungen an die Planarität erfordern. Ist jedoch die Oberflächenrauigkeit gleich oder größer der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes, kommt es hauptsächlich zu einer diffusen Streustrahlung und nur zu einem sehr geringen Reflexionsanteil.
Deswegen sind für das extrem kurzwellige Licht wie UV- oder Röntgenlicht Oberflächen, die im sichtbaren Licht absolut planar sind, in der Regel deutlich zu rau. Bei der harten Röntgenstrahlung ist beispielsweise deren Wellenlänge kleiner als der Abstand der Atome im Festkörper, wodurch die atomaren Strukturen der Beschichtung bedeutend werden. Nachträgliche Innenbeschichtungen für die Reflexion von harter Röntgenstrahlung müssen daher Oberflächenqualitäten und -güten aufweisen, die vergleichbar oder besser als die von unbeschichteten Glasoberflächen sind, um den verlustarmen Transport der Strahlung zu gewährleisten.
Dabei stellten sich die Beschichtungsmaterialien Palladium, Wolfram und Platin und deren Verbindungen für die optische Veredelung von Kapillaroptiken (Beschichtung der Innenwandung) als für die STED-Mikroskopie besonders geeignet heraus:

Beispielsweise ist für EUV-Strahlung mit der Wellenlänge λ= 13,5 nm an einer Grenzfläche aus Quarzglas bei einem typischen Einfallswinkel von 80° bezogen auf das Flächennormal von einem rechnerischen Reflexionsgrad von 30 % auszugehen. Der Reflexionsgrad kann sich auf beispielsweise ca. 75 % steigern lassen, wenn die Oberfläche mit einer idealisierten Metallschicht beispielsweise bestehend aus Palladium modifiziert wird. Unter idealen Bedingungen wird daher eine Steigerung der Effizienz bei der Abbildung eines EUV-Strahls in der STED-Mikroskopie um mehr als einen Faktor zwei in Aussicht gestellt.

Aufgabenstellung:
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Vorteile der bereits bekannten hochauflösenden Mikroskopievorrichtungen und - verfahren wie beispielsweise STED (Auflösung jenseits der klassischen Auflösungsgrenze) mit denen von Faseroptiken, insbesondere Hohlleitern, kombiniert (ausreichend geeignete Strahlführung und -formung zur Erreichbarkeit von schwer zugänglichen Stellen auf der Probenoberfläche und/oder in messtechnisch schwieriger Umgebung), ohne allerdings die üblichen Nachteile von Faseroptiken (insbesondere hohe (Material-)Dämpfung für hochenergetische Strahlung und Dispersion sowie eventuell keine Polarisationserhaltung) in Kauf zu nehmen.
Allgemeiner prinzipieller Lösungsweg:
Daher ist eine zur Faseroptik äquivalente Optik erforderlich, der die Vorteile der Vollkern-Faseroptiken (Anregung und Detektion an Stellen, die man sonst sehr schlecht erreichen kann oder in messtechnischer Hinsicht problematischer Umgebung) und die Vorteile einer freiraumoptischen Anordnung (keine negative Manipulation der Anregungs- und Emissionsstrahlung bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere Dämpfung, Dispersion und Polarisation) miteinander vereint.
Als Alternative zur Vollkern-Faseroptik bieten sich hierzu Hohllichtwellenleiter in Form von Kapillaroptiken, wie bspw. mit in optischer Qualität veredelten Innenseiten der (Mikro-)Hohlkapillaren, an, die hier als Hohllichtwellenleiter zur Strahlführung des Anregungs- und des emittierten Fluoreszenzlichts (Detektionslicht) der hochauflösenden Mikroskopievorrichtung und -verfahren eingesetzt werden sollen.
Dabei muss die Innenseite jedoch entsprechend modifiziert werden, damit das energiereiche UV-Licht oder die Röntgenstrahlung möglichst verlustarm geführt und geleitet (und eventuell geformt) werden kann, ohne dass die Eigenschaften der Strahlung in unerwünschter Weise beeinflusst wird (natürlich bis auf die erwünschte Strahlführung und -formung).
Dazu muss allerdings die Innenseite des Hohlleiters mit einer passenden Beschichtung versehen werden, die erstens das energiereiche Anregungslicht möglichst verlustfrei und ohne negative Beeinflussung leiten kann und zweitens die auch biegsam genug ist, um auch weniger gut zugängliche Stellen zu erreichen und diese mit Anregungslicht zu beaufschlagen bzw. das Emissionslicht einzufangen.
Im Folgenden wird dazu ein geeignetes Beschichtungsverfahren vorgestellt, mit denen die Innenseiten der Hohlleiter mittels eines (MO)CVD-Verfahrens beschichtet werden können.
Durch dieses (MO)CVD-Verfahren können die physikalisch-chemischen und/oder optischfunktionalen Eigenschaften der Schicht gezielt und in einer kontrollierten Art eingestellt werden. Dazu wird zunächst eine geeignete Kapillarhohlstruktur beispielsweise aus Quarzglas ausgewählt und bereitgestellt. Dabei kann es sich auch um preiswerte, kommerziell erwerbbare Massenware handeln. Diese Kapillarhohlstruktur wird dann zugeschnitten, gereinigt und sonstigen notwendigen Präparationsprozeduren unterworfen und letztendlich auf einer Substrathalterung in den Rezipienten einer (MO)CVD-Anlage eingeschoben.
Nach zuvor erfolgter Spülung und Evakuierung des Rezipienten werden die geeigneten metallorganischen Precursormaterialien in den Rezipienten unter den erforderlichen Prozessbedingungen eingeleitet. Es werden dann die gewünschten Prozessparameter (Temperatur, Druck, Durchfluss etc.) eingestellt. Da die metallorganischen Precursormaterialien thermodynamisch sehr instabil sind, zerfallen diese bereits unter Normalbedingungen (Raumtemperatur, Normaldruck), indem die metallorganischen Reste von dem metallischen Zentralteilchen (teilweise) abfallen, so dass das metallische Zentralteilchen in der Gasphase und/oder auf der Probenoberfläche (Innenwandung der Quarzkapillarhohlstruktur) freigesetzt werden. Es spielen sich dann die im Stand der Technik diskutierten Defragmentations- und Abscheidungsprozesse statt. Nach erfolgter Abscheidung einer Metallschicht in gewünschten Dicken, d.h. nach einer bestimmten Beschichtungszeit, wird der Abscheidungsprozess unterbrochen, indem die Precursormaterialien aus dem Rezipienten abgepumpt werden.
Nach erfolgter Spülung mit einem Inertgas (z.B. hochreines Stickstoff oder Edelgas) kann der Rezipient geöffnet und die Probe entnommen werden. Eventuell schließt sich eine Qualitätsprüfung des so hergestellten innenbeschichteten Hohllichtwellenleiters an.
Damit das Anregungslicht von einer Seite in den so hergestellten innenbeschichteten Hohllichtwellenleiter ein- und auf der anderen Seite wieder ausgekoppelt werden kann, müssen an den Enden des Hohlleiters für STED geeignete Optiken entwickelt werden, um eine möglichst verlustarme Ein- und Auskopplung der durch sie geführten Strahlung zu gewährleisten (siehe Liste in Anhang: „Eigene Patente (Jörn Wochnowski)“).
Außerdem besteht bei einer solchen lichtführenden Optik wie einem Hohlleiter die Möglichkeit einer Temperierung innen. Diese Temperierung kann zum Beispiel durch ein erhitzten oder abgekühlten Trägergasstrom erfolgen, um die Innenbeschichtungen und damit die Substratoberfläche (Hohllichtwellenleiter) auf die gewünschte Temperatur konstant einzustellen. Aus dem derzeitigen Kenntnisstand ist es nicht auszuschließen, dass eine (geringfügige) Abhängigkeit des Reflexionsverhaltens von der Temperatur existiert, welche hier erfindungsgemäß ausgenutzt werden kann.
All das bisher Ausgeführte gilt nicht nur für die Vermessung / Charakterisierung einer Probenoberfläche, sondern auch für die „fluoreszenz-basierte“ Nanostrukturierung der Probenoberfläche, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 015 497 A1 beschrieben worden ist.
Dazu wird dann der Anregungsstrahl durch den Hohlleiter geschickt, um auf einer schwer zugänglichen Probenoberfläche die Emission von einem oder ein paar wenigen FluoreszenzPhotonen zu induzieren, die die unmittelbare atomare und/oder molekulare Umgebung strukturieren, modifizieren oder sonst wie verändern können, und zwar mit einer Auflösung, die weit unterhalb der klassischen Auflösungsgrenze nach Abbe liegt. Zwar kann man auch mit einer sogenannten Pendry-Linse bestehend aus einem Material mit einem negativen Brechungsindex theoretisch Probenoberflächen mit einer Auflösung bearbeiten, die jenseits der klassischen Auflösungsgrenze nach Abbe liegt, doch gilt dies nur für mittels Freiraumoptiken leicht zugängliche Stellen auf der Probenoberfläche.
Konkrete Ausführungsbeispiele
Der für den erfindungsgemäßen Gegenstand notwendige STED-Aufbau ähnelt zunächst dem, wie er bereits im Stand der Technik beschrieben worden ist [1] - [9], insbesondere in der deutschen Patentanmeldung DE 44 16 558 A1 , insbesondere dort 1, wie es im Folgenden in leicht abgewandelter Weise beschrieben worden ist; allerdings, falls erforderlich, sind auch Abwandlungen möglich:

Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1 mit einem Laser 2 zum Aussenden von Anregungslicht, um die damit zu beaufschlagenden Fluorophore auf der Probenoberfläche von dem fluoreszenten Zustand Z2 auf den fluoreszierenden Zustand Z3 zu bringen, und einem weiteren Laser 3 zum Aussenden von Stimulationslicht bzw. Abregungslicht (Fluoreszenzverhinderungslicht), um die Fluorophore auf der Probenoberfläche vom fluoreszierenden Zustand Z3 wieder zurück auf den fluoreszenten Zustand Z2 zu transferieren. Dabei kann der Stimulationslichtstrahl auch anders, beispielsweise mittels einer Vortex-Phasenplatte oder eines SPM (Spatial Phase Modulator) oder mittels anderer optischer Komponenten, erzeugt werden, wie beispielsweise in DE 20 2009 007 250 U1 , DE 10 2019 008 304 B3 , DE 10 2011 055 367 A1 , DE 10 2018 132 875 A1 , DE 10 2009 056 250 A1 , WO 2020/128106 A1 beschrieben. Die Lichtquelle 1 umfasst zu den Lasern 2 und 3 zusätzlich noch Linsen 12 und 13 sowie eine Blende 14. Mit der Linse 12 wird der von dem Laser 2 kommende Laserstrahl auf die Blende 14 fokussiert.

Ferner sind dichroitische Spiegel 4 und 5 und ein Objektiv 6 zur Strahlführung und -formung installiert, damit das von den Lasern 2 und 3 kommende Anregungslicht und Stimulationslicht auf einen Probenpunkt 7 der Probe 8 gelenkt und fokussiert werden kann.
Die Linse 13 dient zur Anpassung der Divergenz des Anregungslichtstrahls und der Stimulationslichtstrahlen, damit sie in der gleichen Ebene mit Hilfe des Objektivs 6 fokussiert werden können. Als Blenden werden üblicherweise Lochblenden verwendet. Hinter dem Laser 3 sind ein Strahlteiler 23 und ein Spiegel 24 zum Aufteilen des von dem Laser 3 kommenden Strahls in zwei Stimulationslichtstrahlen 17 angeordnet. Die Anordnung ist so gewählt, daß der Anregungslichtstrahl und die Stimulationslichtstrahlen derart auf den Spiegel 4 auftreffen, daß sich die Intensitätsverteilungen der Strahlen nach Umlenken an dem Spiegel 5 und Durchlaufen des Objektivs 6 im Fokalbereich des Objektivs 6 teilweise decken. Die Probe 8 ist auf einem Positioniertisch 10 angeordnet. Der Probenpunkt 7 hat dabei eine Ortsausdehnung, welche hier eine Flächenausdehnung ist. Ein Detektor 9 ist zum Nachweis des von der Probe 8 emittierten Emissionslichts angeordnet, welches durch den dichroitischen Spiegel 5 hindurchtritt und somit vom Anregungslicht separiert wird. Zwischen der Lichtquelle 1 und dem Objektiv 6 ist eine Strahlrastereinrichtung 11 zum gesteuerten Abrastern der Probe 8 mit dem Anregungslicht und dem Stimulationslicht vorgesehen.
Im Gegensatz zu der in der deutschen Patentanmeldung DE 44 16 558 A1 beschriebenen komplett freiraumoptisch aufgebauten STED-Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in den Lichtwegen mit Mikrohohlkapillaren ausgestattet, um die Anregungs- und Abregungslichtstrahlung sowie die Emissionslichtstrahlung so zu führen und/oder zu formen, wie es entsprechend der experimentellen oder anwendungsbedingten Anforderungen notwendig ist, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Dazu kann insbesondere der Strahlengang zwischen dem Spiegel 5 und der Probe 8, oder zumindest auf der Wegstrecke kurz vor der Probenoberfläche, die freiraumoptische Strahlrastereinrichtung 11 durch eine Rastereinrichtung für Faseroptiken ersetzt werden.
Konkrete Beispiele für Abscheidungsprozesse:
Konkrete Kapillarhohlstrukturen (Material: Quarzglas, Geometrie wie Durchmesser, Querschnittsgeometrie, Hersteller, Vorbehandlung), konkrete Precursormaterialien: welche MO-Verbindungen, damit welche Metalle abgeschieden werden sollen, Angaben zur Anlage wie Rezipienten (Material, Größe, keine Energieeinkopplung), Angaben zum Abscheidungsprozess wie Prozessparameter (Temperatur, Druck, Durchfluss, Beschichtungsdauer, wieviel Volumen an Precursormaterial muss eingeleitet werden).
Bezüglich der konkreten Prozessparameter wird auch die Druckschriften in der Liste der eigenen Patentliteratur verwiesen.
Die Herausforderung dabei besteht darin, dass die Hohllichtwellenleiter (Hohlleiter) so ausgestaltet sind, dass die Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts erhalten bleibt oder zumindest bei Austritt aus dem Hohlleiter an der richtigen Stelle eine Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts entsteht, da diese für das STED/RESOLFT-Verfahren essentiell ist. Dies kann realisiert werden, indem man geeignete Mikrooptiken vorne und hinten an den Enden des Hohlleiters implementiert, so dass dadurch die Abregungs- oder Fluoreszenzverhinderungsstrahlung dermaßen geführt und geformt wird, dass am Austrittsende des Hohllichtwellenleiters beispielsweise durch Abbildung eben diese Nullstelle entsteht. Denkbar ist es auch, dass am Austrittsende des Hohlleiters eine Vortex-Phasenplatte implementiert wird.
Der Hohleiter kann aber auch so ausgestaltet werden, dass sich in diesem Hohlleiter Modenfelder ausbilden können, die zentral in der Mitte ein Intensitätsminimum besitzen. Dazu muss der Hohlleiter eine geeignete Geometrie aufweisen. Voraussetzung ist aber, dass die Hohleiter für die Strahlführung und Strahlformung von UV-Licht geeignet ist, d.h. die Innenbeschichtung der Hohlleiter muss so ausgestaltet sein, dass erstens der Reflexionsgrad für diesen Wellenlängenbereich besonders gut ist, damit die Dämpfung nicht zu hoch wird, und zweitens dass andere Anforderungen wie Polarisationserhaltung u.a. gewährleistet werden, damit die Kohärenz des durch den Hohlleiter geführten Lichts aufrechterhalten und somit am Austrittsende der Hohlfaser das Licht interferenzfähig bleibt.
Um den Reflexionsgrad zu erhöhen, kann die Innenbeschichtung auch in Form eines dielektrischen Spiegelschichtsystems aufgebaut werden. Dazu werden mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und genau eingestellter Schichtdicke aufeinander abgeschieden, so dass ein Mehrschichtensystem aus übereinander abgelagerten Schichten entsteht, die Licht einer bestimmten Wellenlänge und für einen bestimmten Einfallswinkel (Mode) fast 100% reflektieren kann. Anstelle von oder ergänzend zu den Multischichtsystemen sind auch Gradientenschichten vorstellbar oder auch keine vollständigen Beschichtungen, die nicht die gesamte Oberfläche der Innenseite der Mikrokapillare bedeckt, sondern nur streifenweise oder gar punktuell, so dass an anderen Stellen auf der Innenseite der Kapillare andere Multischichtsysteme für andere Wellenlängen und/oder andere Moden (Einfallswinkel) implementiert werden können. Dadurch können dann mehrere Wellenlängen gleichzeitig durch den Hohllichtwellenleiter geleitet werden.
Auch muss untersucht werden, inwiefern Krümmungen des Hohllichtwellenleiters Einfluss auf die Intensitätsverteilung innerhalb des geführten Lichtfeldes haben kann, insbesondere auf die Nullstelle am Austrittsende des Hohlleiters.
Der Hohllichtwellenleiter, insbesondere das Substratmaterial, sollte deswegen aus einem (hoch)flexiblen, (hoch)elastischen und mechanisch belastbaren Material hergestellt werden, um die Eigenschaft einer elastischen Verformung zu besitzen, damit es reversibel und flexibel gekrümmt werden kann, um erstens die eventuell unter einer Flüssigkeitsschicht begrabene Probenoberfläche einfacher abrastern zu können und um zweitens auch an verdeckte Oberflächen wie Hinterschneidungen gelangen zu können.
Dazu müssen die Schichten wie folgt hergestellt werden, damit sie die folgenden funktionaloptischen Eigenschaften besitzen:

Zunächst ist ein exzellentes Reflexionsvermögen, abhängig von der Wellenlänge, bevorzugt im UV- oder kürzerwelligen Spektralbereich, erforderlich. Hierzu muss die Rauheit der Schichtoberfläche kleiner oder gleich der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung sein, damit die Reflexion nicht diffus und ungerichtet wird. Vorzugsweise bestehen die Beschichtungen aus nicht oxidierbaren Edelmetallen, was eine hohe Langzeitbeständigkeit sicherstellt. Bevorzugt sind Innenbeschichtungen so auszugestalten, um die Dispersionen zu minimieren. Hierzu zählen u.a. auch die bereits oben genannten dielektrischen Schichten.

In einer besonderen Ausführungsform werden die Hohlkapillaren bevorzugt bestehend aus (Quarz)Glas, welches eigentlich ein hochsprödes und mechanisch wenig beanspruchbares Material darstellt, da nicht sehr biegsam und damit unflexibel ist, durch eine Außenbeschichtung mittels eines sogenannten Claddings versehen, wobei es sich beim Cladding um ein von Glas verschiedenes Material wie bevorzugt ein metallhaltiges oder keramisches Material oder besonders bevorzugt ein polymeres Material handelt, um unter anderem die Ultrahochvakuumstabilität und damit die verlustfreie Licht- und Energieübertragung mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit auch bei (starker) Biegung zu gewährleisten. Der Vorteil dieser Ausführungsform einer solchen Hohlkapillare versehen mit der weiter oben beschriebenen Außenbeschichtung (Cladding) ist, dass dadurch die oben genannten Nachteile eliminiert werden und damit die für die Anwendungen in der STED-Mikroskopie erforderlichen hochflexiblen und hochbiegsamen sowie mechanisch sehr beanspruchbaren Hohllichtwellenleiter bereitgestellt werden können.
Ausblick:
Ein weiterer Vorteil der Hohlleiter gegenüber der Vollkern-Faseroptik besteht auch darin, dass man mittels des Hohlleiters auch Partikelstrahlung wie bspw. Elektronen-, Protonen-, Ionen- oder Neutronenstrahlung transportieren kann. Wie bereits im Kapitel „Stand der Technik“ dargelegt, ist es auch denkbar, mittels Anregungsstrahlung und/oder STED-Strahlung (Fluoreszenzverhinderungs- oder Stimulationsstrahlung) in Form von Partikel- oder Korpuskelstrahlung (Elektronen-, Protonen-, Neutronen- oder lonenstrahlung etc.) die zu untersuchende Probenoberfläche zu beaufschlagen. Dies ist mit einer Vollkern-Faseroptik nicht möglich, unabhängig davon, ob diese aus Glas oder Polymer hergestellt wird. Desweiteren kann mittels des erfindungsgemäßen innenbeschichteten Hohlleiters die Partikelstrahlung nicht nur geleitet und geführt, sondern auch geformt und deren strahlungsoptischen Eigenschaften beeinflusst werden. Eventuell sind dazu extern angelegte (statische oder zeitlich veränderliche /dynamische, homogene oder inhomogene) elektrische, magnetische und / oder elektromagnetische Felder notwendig.
Literatur:

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[11] Im Internet: <URL: https://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%B6ntgenoptik>. recherchiert am 25.06.2021
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[13] M.J. Hamden-Smith, T.T. Kodas, Chem. Vap. Deposition, 1, 8-23, 1995.

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2. Oberflächenmodifizierte Hohlraumstrukturen, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung (Surface-modified structures, useful e.g. in optical or catalytic applications, comprise substrate, e.g. of glass, silicate primary coating and secondary coating, e.g. of metal) Patente: DE 10 2007 049 930 A1 2009-04-23; DE200710049930 20071018 ; DE 10 2007 049 930 B4 2011-04-28
3. Modifizierte Multikanalstrukturen und deren Verwendung (Modified multichannel structures and their production and use) Patente: WO 2008/135542 A1 2008-11-13; WO2008 EP55458 20080505 ; DE 10 2007 020 800 A1 2008-11-06; DE 10 2007 020 800 A1 2011-03-03; DE200710020800 20070503 ; DE10 2007 020 800 B4 ; EP 2 152 928 A1
4. Fabrication of microtips and nanotips for use in scanning field microscopy Patente: WO 2007/079975 A1 2007-07-19; WO2006 EP12588 20061228 ; WO 2007/079975 A8 ; DE200510063127 20051230 ; DE 10 2005 063 127 A1 2007-08-23; DE 10 2005 063 127 B3 ; US 2009/138996 A1 ; EP 1 969 606 A1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Hochauflösende fluoreszenzbasierte Mikroskopievorrichtung wie RESOLFT, STED oder GSD, bei denen das Anregungslicht und das Emissionslicht mittels einer Hohlfaser oder eines Hohlichtwellenleiters (Hohlleiters) in Form einer Hohlkapillare, insbesondere einer Mikrohohlkapillare, zur passiven Strahlführung und Strahlformung zur der zu untersuchenden und schwer zugänglichen Probenoberfläche hin- und weggeleitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei denen die verwendete(n) Hohlkapillare(n) gemäß dem Anspruch 1 ein innenbeschichteter funktionalisierter Hohllichtwellenleiter (FHLWL) ist, bei dem die Kanalstruktur (a) aus einem amorphen Feststoff, bevorzugt Glas, und / oder einem makromolekularen Material, bevorzugt einem Polymer, besteht und die Innenbeschichtung (b) ein von Kohlenstoff verschiedenes Element aus der ersten bis fünften Hauptgruppe oder einer Nebengruppe des Periodensystems der Elemente enthält, wobei die Innenbeschichtung eine höhere optische Dichte als die Kanalstruktur aufweist, und bei dem die Innenbeschichtung mindestens ein Metamaterial und/oder ein Metall aufweist, wobei bei der Innenbeschichtung ein Metall ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend Be, Ni, AI, Pt, Cu, Pd, Ag, Au, W, Re, Ir, Os, Mo, Pb, Bi und U, wobei die Elemente Au, Ag, W, Pb, Pt, Pd, Ni und Al besonders bevorzugt sind und /oder bei dem die Innenbeschichtung ein Metall mit einer Ordnungszahl Z > 10, insbesondere Z > 21, enthält, und wobei die Innenbeschichtung aus Metallschichten und/oder Metallpartikeln, bevorzugt aus amorphen Metallschichten und/oder Metallpartikeln, insbesondere aus amorphen Metallschichten und besonders bevorzugt aus geschlossenen Metallschichten, besteht, wobei der Bedeckungsgrad der Innenbeschichtung der Kanalstruktur mindestens 50 %, insbesondere mindestens 90 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % aufweist.
Innenbeschichteter funktionalisierter Hohllichtwellenleiter (FHLWL), gekennzeichnet dadurch, dass dieser die folgenden Merkmale aufweist: Außenbeschichtung mittels eines Claddings, wobei es sich beim Cladding um ein von Glas verschiedenes Material wie bevorzugt ein metallhaltiges oder keramisches Material oder besonders bevorzugt ein polymeres Material handelt, um unter anderem die Ultrahochvakuumstabilität und damit die verlustfreie Licht- und Energieübertragung mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit auch bei (starker) Biegung zu gewährleisten, so dass der mit einem Cladding und einer Innenbeschichtung funktionalisierte Hohllichtwellenleiter (FHLWL) flexibel und besonders bevorzugt hochflexibel ist und gegenüber einem unbeschichteten Hohllichtwellenleiter (HLWL) eine deutlich verbesserte Langzeitstabilität aufweist, und die Außenbeschichtung des innenbeschichteten funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) mindestens als Element Kohlenstoff, Silizium und/oder ein Metall aufweist, und der Hohlraum des innenbeschichteten funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) entweder evakuiert oder mit einem (flüssig-, dampf- oder gasförmigen) Medium gefüllt ist, wobei der innenbeschichtete funktionalisierte Hohllichtwellenleiter (FHLWL) zusätzlich noch die weiteren Merkmale aufweist: a) ein- oder beidseitige Versiegelung an den Enden, besonders bevorzugt durch ein geeignetes optisch transparentes Material oder durch eine geeignete Mikrooptik wie einem lichtbrechenden (refraktiven) Körper (zum Beispiel optische Linse) oder durch ein reflektives Element oder Komponente (zum Beispiel Verspiegelung oder dielektrische Verspiegelung wie bei einem Laser) oder durch ein diffraktives Element oder Komponente (zum Beispiel Gitter oder Prisma) oder durch ein sonstiges optisches Element oder Komponente b) bevorzugt mit einem Vakuum und besonders bevorzugt mit einem Ultrahochvakuum evakuierter FHLWL und/oder c) mit einem Material befüllter FHLWL, bevorzugt mit einem energie-, licht- und/oder massentransparenten Stoff befüllter FHLWL, und besonders bevorzugt mit einem bei Raumtemperatur gasförmigen (Inert)gas oder Schutzgas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon
Verfahren zur Herstellung einer Innenbeschichtung auf der Innenseite einer Kanalstruktur und/oder einem funktionalisierten Hohllichtwellenleiter (FHLWL) nach dem vorherigen Anspruch 3, bei dem die Aufbringung der Innenbeschichtung durch ein thermisches, photolytisches, plasmatechnologisches und/oder Gasphasen-Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder die Chemische Gasphaseninfiltration (CVI) sowie Kombinationen aus diesen Verfahren (sogenannte Hybrid- oder Multiverfahren) durch die folgenden Schritte erfolgt: (a) ein- oder beidseitiges Evakuieren der Kanalstruktur, wobei zwischen den Enden der Kanalstruktur ein Druckgradient aufgebaut wird, (b) Verdampfen oder Sublimieren der Precusorverbindung(en) und Transport durch die Kanalstruktur durch den aufgebauten Druckgradienten und/oder durch einen unterstützenden Trägergasstrom, und (c) Abscheidung einer Innenbeschichtung an der gewünschten Lokalität aus dem verwandten Precursormaterial durch Zufuhr von Energie, oder bei dem die Innenbeschichtung durch die chemische Gasphasenabscheidung von Organometallverbindungen (OMCVD), durch die chemische Gasphasenabscheidung von metallorganischen Verbindungen (MOCVD), durch die chemische Gasphasenabscheidung von Organoelementverbindungen (OECVD), durch die chemische Gasphasenabscheidung von elementorganischen Verbindungen (EOCVD) oder deren verwandte Verfahren der chemischen Gasphaseninfiltration wie OMCVI, MOCVI, OECVI oder EOCVI oder deren verwandte Verfahren der Gasphasenepitaxie wie OMV-PE, MOV-PE, OEV-PE oder EOV-PE oder durch Atomic Layer Deposition (ALD) auf der Innenseite der Kanalstruktur abgeschieden wird, oder bei dem die Innenbeschichtung durch ein thermisches Verfahren, photolytisches Verfahren, ein plasmatechnologisches und/oder ein Flüssigphasen-Verfahren (Chemical Liquid Deposition, CLD) sowie Kombinationen aus diesen Verfahren (Hybrid- oder Multiverfahren) auf der Innenseite der Kanalstruktur abgeschieden wird und das die folgenden Schritte umfasst: (d) der oder die Precursorverbindungen werden in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst; alternativ kann der oder die Precursoren geschmolzen werden; der Transport der Precursorverbindung(en) in die Kanalstruktur erfolgt anschließend durch die Kapillarkräfte der Kanalstruktur (e) Abscheidung einer Innenbeschichtung an der gewünschten Lokalität aus dem in der flüssigen Phase gelösten Precursormaterial durch Zufuhr von Energie (f) Entfernen des Lösungsmittels zum Beispiel durch Evakuieren und/oder Verdampfen, oder bei dem die Innenbeschichtung durch die chemische Flüssigphasenabscheidung von Organometallverbindungen (OMCLD), durch die chemische Flüssigphasenabscheidung von metallorganischen Verbindungen (MOCLD), durch die chemische Flüssigphasenabscheidung von Organoelementverbindungen (OECLD), durch die chemische Flüssigphasenabscheidung von elementorganischen Verbindungen (EOCLD) oder deren verwandte Verfahren der chemischen Flüssigphaseninfiltration wie OMCLI, MOCLI, OECLI oder EOCLI oder deren verwandte Verfahren der Flüssigphasenepitaxie wie OML-PE, MOL-PE, OEL-PE oder EOL-PE auf der Innenseite der Kanalstruktur abgeschieden wird, oder bei dem die Innenbeschichtung durch ein thermisches Verfahren, ein photolytisches Verfahren, ein plasmatechnologisches und / oder ein Festphasen-Verfahren sowie Kombinationen aus diesen Verfahren (Hybrid- oder Multiverfahren) auf der Innenseite der Kanalstruktur abgeschieden wird und die folgenden Schritte umfasst: (g) der oder die Precursorverbindungen werden als Feststoff beispielsweise mechanisch in die Kanalstruktur eingebracht (h) Abscheidung einer Innenbeschichtung an der gewünschten Lokalität aus dem festen Precursormaterial durch Zufuhr von Energie bis zur vollständigen Zersetzung des Precursormaterials und Abscheidung einer Innenbeschichtung (i) Entfernen der gasförmigen Zersetzungsprodukte des Precursormaterials zum Beispiel durch Evakuieren und/oder Verdampfen, oder bei dem die Innenbeschichtung durch die chemische Festphasenabscheidung von Organometallverbindungen (OMCSD), durch die chemische Festphasenabscheidung von metallorganischen Verbindungen (MOCSD), durch die chemische Festphasenabscheidung von Organoelementverbindungen (OECSD), durch die chemische Festphasenabscheidung von elementorganischen Verbindungen (EOCSD) oder deren verwandte Verfahren der chemischen Festphaseninfiltration wie OMCSI, MOCSI, OECSI oder EOCSI oder deren verwandte Verfahren der Flüssigphasenepitaxie wie OMS-PE, MOS-PE, OES-PE oder EOS-PE auf der Innenseite der Kanalstruktur abgeschieden wird, und/oder bei dem die Innenoberfläche der Kanalstruktur vor den genannten Schritten (a), (d) oder (g) aktiviert wird, und bei dem insbesondere die Innenoberfläche der Kanalstruktur vor den Schritten (a), (d) oder (g) thermisch aktiviert wird, und/oder bei dem insbesondere die Innenoberfläche der Kanalstruktur vor den Schritten (a), (d) oder (g) durch Überleiten von molekularem Sauerstoff und/oder Ozon aktiviert wird, und/oder bei dem die Innenoberfläche der Kanalstruktur vor den genannten Schritt (a), (d) oder (g) gereinigt wird, und/oder insbesondere bei dem die Innenoberfläche der Kanalstruktur vor den Schritten (a), (d) oder (g) durch Plasmabehandlung, chemische Prozesse und/oder Evakuieren mit gleichzeitigem Ausheizen gereinigt wird, und/oder bei dem die Innenoberfläche der Kanalstruktur vor den Schritten (c), (f) oder (i) evakuiert und besonders bevorzugt ultrahochevakuiert wird, und/oder insbesondere bei dem auf der Innenoberfläche der Kanalstruktur in den genannten Schritten (c), (f) oder (i) ein Minimaldruck von weniger als 10^-2 mbar, und bevorzugt weniger als 10^-3 mbar und besonders bevorzugt weniger als 10^-5 mbar ein- oder bevorzugt beidseitig über deren Enden eingestellt wird, und/oder bei dem die Kanalstruktur nach den genannten Schritten (c), (f) oder (i) evakuiert und besonders bevorzugt ultrahochevakuiert bleibt, und/oder bei dem der funktionalisierte Hohllichtwellenleiter (FHLWL) mit einem geeigneten Medium wie beispielhaft Schutzgasen, die eine hohe Licht-, Massen- und Energietransparenz wie Stickstoff oder Argon ausweisen, (dauerhaft) befüllt werden, wobei dafür die Kanalstruktur nach dem erfolgten Beschichtungsprozess gemäß den genannten Schritten (c), (f) oder (i) mit geeigneten Materialien wie beispielhaft Schutzgasen, die eine hohe Licht-, Massen- und Energietransparenz wie Stickstoff oder Argon ausweisen, (dauerhaft) befüllt wird, und/oder bei dem die Innenoberfläche der Kanalstruktur in den genannten Schritten (b), (e) oder (h) durch einen Wärme- oder Heizstrahler, einen Ofen, einen Laser, Mikrowellenstrahlung und/oder Plasma erfolgt, und/oder bei dem ferner die Durchführung einer in-situ-Prozessanalytik und Prozesssteuerung umfasst, und/oder bei dem das Precursormaterial ein sublimierbares Material ist, und/oder bei dem das Precursormaterial ein in einem Lösungsmittel lösbares Material ist, und/oder insbesondere bei dem das Precursormaterial ein von Kohlenstoff verschiedenes Element aus der ersten bis fünften Hauptgruppe oder einer Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie organische Gruppen und/oder einen oder mehrere Carbonylliganden enthält, die chemisch direkt und/oder über ein Element der fünften oder sechsten Hauptgruppe an das jeweilige Element gebunden sind, und/oder bei dem das Precursormaterial eine organometallische, eine metallorganische oder eine elementorganische Verbindung ist, die mindestens eine Metall-Kohlenstoff-Bindung aufweist, oder eine Komplex- oder Koordinationsverbindung ist, die einen organischen Liganden und/oder Carbonyl aufweist, und/oder bei dem die Komplex- oder Koordinationsverbindung einen Liganden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbonyl, Hexafluoracetylacetonato und Acetylacetonato, enthält, und/oder bei dem das Precursormaterial ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Be, Ni, AI, Pt, Cu, Ir, Mo, Ag, W, Re, Ir, Os, Au, Pb, Bi und U enthält, wobei die Elemente Ni, Al, Ag, Au, W, Pb, Cu, Pt, Bi und U besonders bevorzugt sind, und/oder bei dem das Precursormaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Trimethylaluminium Triethylaluminium Bis-(1,1, 1,5,5,5,-hexafluor-2,4-pentadionato)-palladium(II) Tetracarbonylnickel Nickelocen 2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-heptandionatosilber(ll) Tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionato)bismuth(III) Tetraethylblei Bis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionato)blei(ll) Uranhexafluorid Uranocen Uranacetat Wolframhexacarbonyl Wolframhexahalogenide Dimethyl(hexafluoroacetylacetonato)gold Tetrakis(triphenylphosphin)platin(0) Bis(hexafluoroecetylacetonato)platin(II) Bis(acetylacetonato)platin(II) Dimethyl(1,5-cyclooctadien)platin(II) Methyl(triphenylphosphin)gold(i) und Bis-(1,1,1,5,5,5-hexafluor-2,4-pentadionato)-blei(II)
Innenbeschichteter funktionalisierter Hohllichtwellenleiter (FHLWL), gekennzeichnet dadurch, dass dieser die folgenden Merkmale aufweist: innenbeschichteter funktionalisierter Hohllichtwellenleiter (FHLWL), bei denen der Hohlraum entweder evakuiert oder mit einem (flüssig- oder bevorzugt einem dampf- oder gasförmigen) Medium gefüllt ist, sowie Verfahren zum Verschluss eines beliebigen (funktionalisierten) Hohllichtwellenleiters (HLINUFHLWL) oder eines funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 bevorzugt an beiden Enden mit geeigneten optisch transparenten Materialien und/oder an einem oder bevorzugt an beiden Enden mit geeigneten Mikrooptiken.
Innenbeschichteter funktionalisierter Hohllichtwellenleiter (FHLWL), gekennzeichnet dadurch, dass dieser mit einem laseraktiven Gas- oder Gasmischung mit passendem Mischungsverhältnis (zum Beispiel Helium und Neon, Excimer- oder Exciplexfüllung) gefüllt und auf der einen Seite mit einem normalen dielektrischen Spiegel und auf der anderen Seite mit einem halbdurchlässigen dielektrischen Spiegel und einer Energiequelle zur Anregung eines in der laseraktiven Gasfüllung stattfindenden Laserprozesses versiegelt ist.
Verwendung eines beliebigen durch eine innere Beschichtung funktionalisierten (innenbeschichteten) Hohllichtwellenleiters (HLWL/FHLWL) oder eines funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) gekennzeichnet dadurch, dass dieser als Licht-, Massen- und Energiewellenleiter zum Zwecke der Signal-, Daten- und Informations-, Massen- und Energieübertragung verwendet wird, wobei der FHLWL mindestens die beiden folgenden Merkmale aufweist: a) eine Kanalstruktur und b) eine Innenbeschichtung auf der inneren Oberfläche der Kanalstruktur, wobei das ausgewählte Material der Kanalstruktur a) sich von dem Material der Innenbeschichtung unterscheiden muss und b) die Innenbeschichtung die Signal-, Daten- und Informations-, Massen- und Energieübertragung verbessert, wobei eine deutliche Verbesserung bevorzugt und eine wesentliche Verbesserung besonders bevorzugt ist.
Verwendung eines beliebigen durch eine innere Beschichtung funktionalisierten (innenbeschichteten) Hohllichtwellenleiters (HLWL/FHLWL) oder eines funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) gekennzeichnet dadurch, dass dieser als Licht-, Massen- und Energiewellenleiter zum Zwecke der Signal-, Daten- und Informations-, Massen- und Energieübertragung verwendet wird, bei der die Kanalstruktur eine Monokanalstruktur oder eine Multikanalstruktur ist, beispielhaft ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mono- oder Polykapillaren, zusammengesetzten Linsen hergestellt aus einzelnen Mono- und/oder Polykapillaren, monolithischen Linsen ebenfalls hergestellt aus einzelnen Mono- und/oder Polykapillaren, photonischen Kristallen und monolithischen integralen Mikrolinsen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, bei der der Hohllichtwellenleiter gemäß den Ansprüchen 3 und 5 bis 6 ein Temperierungselement zur exakt einstellbaren Temperierung besitzt.
Verfahren zur Energie-, Massen-, Daten- und Informationsübertragung in einem beliebigen (funktionalisierten) Hohllichtwellenleiter (FHLWL/HLWL) oder einem funktionalisierten Hohllichtwellenleiter (FHLWL), bei dem die Übertragung durch die Ein- und Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung (Licht) mittels Ein- und Auskoppelmittel gemäß Anspruch 3 erfolgt, und bei dem die Übertragung durch monochromatische und/oder bevorzugt durch polychromatische elektromagnetische Strahlung erfolgt, und bei dem die Übertragung bevorzugt durch (hochenergetische) elektromagnetische Strahlung erfolgt, wobei Vis-, IR-, HF- und/oder Mikrowellenstrahlung hierbei ebenfalls besonders bevorzugt werden, während die Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 380 nm wie die UV- oder die Röntgenstrahlung ebenfalls besonders bevorzugt wird, oder bei dem die Übertragung durch Teilchenstrahlung, besonders bevorzugt Neutronenstrahlung, und/oder γ-Strahlung erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung gleichzeitig durch verschiedene Arten von Teilchenstrahlung erfolgt, oder bei dem die Übertragung gleichzeitig durch polychromatische elektromagnetische Strahlung und Teilchenstrahlung erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung durch (gepulste oder kontinuierliche) LASERstrahlung erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung gleichzeitig durch monochromatische LASERstrahlung erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung gleichzeitig durch polychromatische LASERstrahlung wie beispielhaft durch einen WeißlichtLASER erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung gleichzeitig durch elektromagnetische Strahlung und/oder durch Teilchenstrahlung und/oder LASERstrahlung erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung nach Anspruch 2 (nahezu) dispersionslos erfolgt, und/oder bei dem die Übertragung größer als die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit, bevorzugt größer als 2/3 der Lichtgeschwindigkeit und besonders bevorzugt mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit erfolgt.
Verwendung eines beliebigen durch eine innere Beschichtung funktionalisierten (innenbeschichteten) Hohllichtwellenleiters (HLWL/FHLWL) oder eines funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) als Faseroptik in Form einer Hohlkapillare, insbesondere einer Mikrohohlkapillare, um bei einer hochauflösenden, fluoreszenzbasierten Mikroskopievorrichtung und/oder -verfahren wie RESOLFT, STED oder GSD das Anregungslicht zu führen und zu formen, um damit eine zu untersuchende und schwer zugängliche Probenoberfläche eventuell in einer für den Messvorgang problematischen Umgebungsatmosphäre zu beaufschlagen und das daraufhin emittierte Fluoreszenzlicht von der zu untersuchenden Stelle von der Probenoberfläche wegzuleiten, eventuell zu formen und einem Detektor zuzuführen.
Verwendung eines beliebigen durch eine innere Beschichtung funktionalisierten (innenbeschichteten) Hohllichtwellenleiters (HLINUFHLWL) oder eines funktionalisierten Hohllichtwellenleiters (FHLWL) zum Zwecke der Verwendung als Bauteil oder (Verbindungs)komponente bei Anwendungen im Bereich der Mikroskopie beispielsweise der • RESOLFT, • STED oder • GSD