Laserbasierter 3D-Druck: Werkzeug zur Weiterentwicklung der optischen Mikroskopie

Optische Mikroskopie ist eine weit verbreitete Methode zur Untersuchung von Objekten, Organismen und Oberflächen im kleinen Maßstab. Ihre laterale Auflösung ist jedoch durch die Lichtbeugung begrenzt, was mit herkömmlichen Linsen zunehmend problematisch wird, da die Nachfrage nach höheren Auflösungen wächst.

In einer neuen Publikation in „Light: Advanced Manufacturing“ haben Forschende vom Institut für Elektronenstruktur und Laser, der Universität Helsinki und der Ruhr-Universität Bochum eine neue Strategie zur Herstellung hochwertiger Mikrokugeln mittels laserbasierter 3D-Drucktechnologie entwickelt. Dieser Ansatz nutzt die Mehrphotonenlithografie (MPL), die eine maskenlose Produktion echter 3D-Strukturen im Mikro- und Nanobereich ermöglicht. Aufgrund der nichtlinearen Natur der MPL kann die Präzision durch lokale Anpassung der Laserintensität während des Druckprozesses erheblich gesteigert werden.

Durch die Kombination dieses Ansatzes mit einer fortschrittlichen Schicht- und Schlitzstrategie gelang es dem Team, eine Mikrokugel mit einem Durchmesser von 20 µm und nahezu perfekter geometrischer Qualität (λ/8) sowie außergewöhnlicher Oberflächenglätte herzustellen. Diese Mikrokugel wurde auf ein Deckglas gedruckt, das ein zentrales Loch aufwies, welches durch Femtosekunden-Laserablation bearbeitet wurde. Die Kombination dieses modifizierten Deckglases mit der Mikrokugel ergibt ein 3D-Mikrogerät, das eine flexible Handhabung der Kugel und deren Integration in jedes optische Mikroskop ermöglicht.

Die Leistung der Mikrokugel in diesem 3D-Mikrogerät wurde mit einem Mirau-Kohärenz-Scanning-Interferometer (MCSI) und einem Kalibrierungsraster mit einer Auflösung von λ = 0,28 getestet. Dabei übertraf die optische Qualität der Kugel die typischen Auflösungsgrenzen herkömmlicher Linsen im sichtbaren Licht, während die hohe axiale Auflösung des MCSI erhalten blieb.

Die Kugel, inklusive der Modifikation des Deckglases, wurde in nur acht Minuten gefertigt. Die einzigartigen Fähigkeiten der MPL ermöglichen zudem die Erkundung innovativer mikrooptischer Strukturen und Systeme zur weiteren Verbesserung der lateralen Auflösung für 2D- und 3D-Optische Mikroskopie. Für die Zukunft sehen die Forschende großes Potenzial in der Nutzung der MPL, um kostengünstig maßgeschneiderte Geräte zu entwickeln, die die Auflösung jedes optischen Mikroskops verbessern können.