Новый тип микроскопа использует оптический резонатор для исследования чувствительных образцов

Новый тип микроскопа заставляет свет двигаться по кругу, что позволяет ему многократно взаимодействовать с образцом. Автор: TU Wien

Каждый, кто когда-либо фотографировал, знает проблему: для получения детального изображения нужно много света. Однако в микроскопии слишком много света часто вредно для образца — например, при визуализации чувствительных биологических структур или исследовании квантовых частиц. Цель состоит в том, чтобы собрать как можно больше информации об объекте наблюдения при заданном количестве света.

В сотрудничестве с Венским университетом и Университетом Зигена (Германия) исследователи из Венского технического университета разработали новый метод достижения этой цели: они помещают свет в резонатор, где также находится образец. Это позволяет получить более четкий сигнал, чем при использовании других методов. Техника была представлена в журнале Nature Scientific Reports.

Лучший сигнал благодаря многократному рассеянию света

«В обычном микроскопе свет попадает на образец один раз, а затем проходит через линзу», — объясняет Максимилиан Прюфер, руководивший исследованием в рамках стипендии Esprit от FWF в Институте атомных исследований TU Wien. «В нашем микроскопе мы помещаем образец в оптический резонатор — между двумя зеркалами».

Чтобы превратить этот резонатор в микроскоп, команда разработала необычную экспериментальную установку с дополнительными линзами: после прохождения светового пучка через образец он направляется по кругу и снова попадает на образец.

«Теперь образец снова освещается, но не обычным равномерным пучком света, как в начале, а пучком, который уже содержит изображение образца, так сказать», — поясняет Оливер Люгхамер (TU Wien), построивший микроскоп в рамках своей магистерской диссертации.

Подобно тому, как штамп несколько раз прижимается к одному и тому же месту, создавая четко видимое изображение даже со слабыми чернилами, изображение образца становится все четче и четче по мере того, как оно совершает несколько кругов в микроскопе.

Микроскопия с усилением резонатора отверстий в мембране Si₃N₄. Автор: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-13589-w

Как теоретические расчеты, разработанные в сотрудничестве с Томасом Юффманном (Венский университет) и Штефаном Нимрихтером (Университет Зигена), так и эксперименты показывают, что этот метод предоставляет больше информации, чем другие методы микроскопии при заданной интенсивности света.

«Ключевой показатель — это отношение сигнал/шум», — объясняет Прюфер. «Это соотношение здесь лучше, чем при других методах, благодаря многократному рассеянию при том же уровне воздействия на образец».

Стабильность даже при незначительных помехах

Однако практическая пригодность нового метода также зависит от его восприимчивости к помехам: «При использовании оптических резонаторов, как в нашем случае, часто важно поддерживать их длину чрезвычайно постоянной», — говорит Прюфер.

«Обычно приходится прилагать большие усилия, чтобы расстояние между двумя зеркалами варьировалось минимально, иначе желаемый эффект теряется. Однако с нашим методом это не так».

Расстояние между зеркалами может демонстрировать определенную нестабильность без исчезновения эффекта усиления. «Это важно, потому что означает, что метод работает не только в теории, но и может использоваться на практике с управляемыми усилиями», — говорит Прюфер.

Одна из целей новой методики микроскопии — визуализация ультрахолодных конденсатов Бозе-Эйнштейна и изучение их квантового физического поведения.

Больше информации: Oliver Lueghamer et al, Cavity-enhanced continuous-wave microscopy with potentially unstable cavity length, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-13589-w

Источник: Vienna University of Technology