Реализована новая идея в микроскопии сверхвысокого разрешения
|
Американские физики предложили и реализовали новый способ преодоления дифракционного предела в микроскопии: с помощью света с переменной степенью когерентности. Проведенные ими эксперименты проще и доступнее альтернативных методик.
Микроскоп — один из старейших приборов в арсенале ученого — имеет очень существенное ограничение: из-за дифракции света в него не увидишь объекты размером меньше длины волны (т. е. доли микрона). Именно поэтому физики, изучающие субмикронные объекты (коих немало: начиная от наноструктур и заканчивая живыми организмами), пытаются сконструировать хитроумные оптические системы, обходящие стороной этот дифракционный предел.
Конечно, иногда можно переключиться на рентгеновский или электронный микроскоп, которые обладают гораздо лучшим разрешением. Однако зачастую сам объект исследования не позволяет этого сделать: ведь и рентгеновские лучи, и электроны обладают высокой разрушающей и ионизационной способностью.
В принципе, за последние несколько лет уже придумано немало новых методик, позволяющих рассматривать объекты размерами в доли микрона или даже меньше. Это, например, суперлинзы с отрицательным показателем преломления, микроскопия в ближней зоне (см. подробности в статье Преодоление дифракционного предела в оптике, Либенсон М. Н. // СОЖ, 2000, №3, с. 99–104) и фотонный сканирующий микроскоп, использование квантово-запутанных фотонов, люминесцентная микроскопия. Однако практическая реализация всех этих методик довольно сложна. Кроме того, многие из таких приборов очень «близоруки»: чтобы с их помощью что-то разглядеть, требуется поднести аппарат вплотную к образцу.
В недавней статье исследователей из Университета Центральной Флориды E. Baleine and A. Dogariu, Physical Review Letters, 95, 193904 (3 November 2005) предложена совершенно иная методика микроскопии сверхвысокого разрешения, не требующая подобных жертв от экспериментатора.
Авторы предлагают освещать исследуемый образец частично когерентным светом. Вообще, когерентность света характеризует то, насколько синхронно колеблется электрическое поле в разных точках светового луча (подробности см. в популярной статье Когерентный и некогерентный свет, Козлов С. А. // СОЖ, 2001, №2, с. 76–81). Именно поэтому картина рассеянных лучей при освещении объекта когерентным и некогерентным светом различается: когерентный свет более чувствителен к структурам определенного размера. Американские исследователи довели эту идею до логического конца: если поочередно осветить один и тот же объект светом с различной степенью когерентности, а потом проанализировать все полученные «снимки», то можно восстановить детали изображения, которые не были видны ранее. Это позволяет как бы бросить единый сверхзоркий взгляд на большую площадь и увидеть на ней субмикронные детали.
Авторы статьи не ограничились одними лишь лозунгами, а провели эксперимент, подтверждающий работоспособность их предложения. С помощью своей методики они легко «рассмотрели» шарики субмикронного размера, причем с очень высокой точностью. Методика такого эксперимента довольно проста, а основная тяжесть работы при этом перекладывается с плеч физика-экспериментатора на вычислительные мощности компьютера, который и обрабатывает изображения. Кроме того, авторы подчеркивают, что в таком эксперименте нет никаких движущихся частей, что резко упрощает и удешевляет установку.
При всех своих преимуществах новая методика микроскопии обладает важным недостатком. С ее помощью нельзя разглядеть один мелкий предмет. Субмикронная точность достигается при одновременном рассматривании миллионов похожих объектов, расположенных более или менее регулярно на «предметном столике». Однако именно такие ситуации часто встречаются, например в биофизике, поэтому авторы работы и верят в блестящее будущее своей идеи.
Игорь Иванов
Микроскопия в ближней зоне слишком громоздка и неуклюжа при «рассматривании» больших поверхностей (изображение из статьи Преодоление дифракционного предела в оптике)