Was ist ein Laser-Scanning-Mikroskop?
Die Laser-Scanning-Mikroskopie ist eine Art der optischen Mikroskopie, bei der eine Probe durch Scannen eines Laserstrahls an einer Lichtquelle beobachtet werden kann.
Sie verwendet im Allgemeinen eine konfokale Optik und wird auch als konfokales Lasermikroskop oder CLSM bezeichnet. Laser-Scanning-Mikroskope haben eine hohe räumliche Auflösung nicht nur in der horizontalen Richtung (XY-Richtung), sondern auch in der Höhenrichtung (Z-Richtung), da die konfokale Optik das Licht von nicht fokalen Oberflächen ausschließen kann.
Durch die Vermessung von Mikroskopbildern bei gleichzeitiger Verschiebung in Höhenrichtung können daher auch dreidimensionale und all-in-focus-Bilder aufgenommen werden.
Anwendungen von Laser-Scanning-Mikroskopen
Da die Laser-Scanning-Mikroskope mit Licht arbeiten, ist eine Berührung der Probe nicht erforderlich. Aus diesem Grund werden sie in der Industrie zur Beobachtung der dreidimensionalen Form und des Oberflächenprofils von Präzisionsinstrumenten wie Halbleitern und elektronischen Bauteilen sowie in den Biowissenschaften zur Beobachtung von Zellen und biologischem Gewebe, das mit fluoreszierenden Substanzen markiert ist, eingesetzt.
Darüber hinaus können einige Hersteller den Messtisch des Laser-Scanning-Mikroskops individuell anpassen, so dass Messungen an großen Proben wie z. B. großen Flachbildschirmen möglich sind.
Funktionsweise von Laser-Scanning-Mikroskopen
Laser-Scanning-Mikroskope ähneln herkömmlichen Mikroskopkonfigurationen wie Linsen und Spiegeln, verwenden jedoch einen Laser als Lichtquelle und sind als konfokale Optiken konzipiert. Laserlicht zeichnet sich dadurch aus, dass die Wellenlänge und die Phase des emittierten Lichts einheitlich, monochromatisch, gerichtet und linear sind.
Bei gewöhnlichem Licht sind die optischen Pfade nicht ausgerichtet, da die Phasen und Wellenlängen unterschiedlich sind, und das reflektierte Licht, das bei der Bestrahlung einer Probe entsteht, überlagert das gestreute Licht, so dass es schwierig ist, ein klares Bild zu erhalten. Bei einem Laser-Scanning-Mikroskop hingegen wird eine Lochblende an der Stelle angebracht, an der das reflektierte Licht nach der Übertragung durch die Linse und der Reflexion an der Probe fokussiert wird, so dass überschüssiges Licht wie Streulicht entfernt werden kann. Auf diese Weise können saubere Bilder mit klaren Konturen erhalten werden.
Es gibt auch zwei Methoden, um mit einem Laser-Scanning-Mikroskop zweidimensionale Bilder zu erhalten: die Bewegung des Tisches und die Bewegung des Lasermechanismus. Die Merkmale der beiden Methoden sind wie folgt:
- Verfahren mit beweglichem Tisch
Es kann ein großer Bereich gemessen werden, aber die Größe des Tisches ist begrenzt und große Proben können nicht gemessen werden. - Methoden, die den Lasermechanismus bewegen
Ein breites Spektrum an Probengrößen kann gemessen werden und auch Oberflächenmikrostrukturen können gemessen werden.
Scanning-Methode von Laser-Scanning-Mikroskopen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit einem Laser-Scanning-Mikroskop zu scannen. Beim Scannen mit galvanometrischen Spiegeln beispielsweise werden die Spiegel mechanisch bewegt, während MEMS-Scanner und resonante Scannermethoden manchmal verwendet werden, um die Geschwindigkeit zu erhöhen.
Bei der Spinning-Disc-Methode, die für Hochgeschwindigkeitsmessungen ausgelegt ist, wird ein Laserstrahl auf eine Scheibe gerichtet, die mit einer Reihe von Mikrolinsen und Nadellöchern versehen ist, die gleichzeitig eine Reihe von Lichtreflexionen von der Probe aufnehmen. Diese Methode ermöglicht es, eine große Anzahl von Informationen auf einmal zu erhalten, erfordert aber einen Hochleistungslaser mit ausreichender Intensität, um eine gewisse Streuung zu erreichen.
Weitere Informationen zu Laser-Scanning-Mikroskopen
1. Unterschiede zwischen Laser-Scanning-Mikroskopen und Elektronenmikroskopie
Neben der Laser-Scanning-Mikroskopie ist die Elektronenmikroskopie ein weiterer Mikroskoptyp mit hoher Vergrößerung, aber die Prinzipien dieser Instrumente sind nicht identisch. Laser-Scanning-Mikroskope arbeiten mit Licht, während Elektronenmikroskope mit Elektronenstrahlen arbeiten und die Vergrößerung, die Ausrüstung und die Messverfahren sind sehr unterschiedlich.
Elektronen sind im Vergleich zu sichtbarem Licht sehr kurz, wenn sie in eine Wellenlänge umgewandelt werden. Daher ist die Auflösung der Elektronenmikroskopie sehr hoch und mit der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) können Strukturen bis hinunter zu einigen Nanometern beobachtet werden. Laser-Scanning-Mikroskope hingegen können Strukturen in Bereichen, die kürzer als die Wellenlänge sind, nicht beobachten und haben eine Auflösung von einigen hundert Nanometern.
Die für die Laser-Scanning-Mikroskopie und die Elektronenmikroskopie verwendeten Geräte unterscheiden sich stark voneinander. Die Elektronenmikroskopie verwendet einen Elektronenstrahl und erfordert daher Messungen im Vakuum. Es gibt auch Einschränkungen wie z. B. die Tatsache, dass bei der Messung hochisolierender Materialien mit dem Elektronenmikroskop der Elektronenstrahl eine Ladungsanhäufung auf der Oberfläche verursachen und das Bild verzerren kann, so dass die probenspezifischen physikalischen Eigenschaften sorgfältig ermittelt werden müssen.
Außerdem erfordert die Elektronenmikroskopie als Messverfahren geschickte Techniken zum Ausschneiden der Oberfläche und zur Optimierung der Beobachtungsbedingungen. Dagegen sind Laser-Scanning-Mikroskope universeller einsetzbar als Elektronenmikroskope, da keine Aufladung stattfindet und die Oberflächenausschnitte keine Präzision erfordern.
2. Oberflächen-Rauheitsmessung mit Laser-Scanning-Mikroskopen
Mit konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen kann die Rauheit von Probenoberflächen berührungslos gemessen werden. Die Rasterkraftmikroskopie ist eine alternative Methode zur Messung der Rauheit von Probenoberflächen, aber die konfokale Laser-Scanning-Mikroskope haben den Vorteil der berührungslosen Messung. Andererseits unterscheidet sich die Auflösung von der des Rasterkraftmikroskops, so dass je nach Rauheit der Probenoberfläche das geeignete Instrument gewählt werden sollte.