Asphären für ein Fluoreszenzmikroskop
Referenzprojekt
Objektiv mit hoher NA zur Gewinnung von Quanteninformationen
Ziel dieses Kundenprojektes war die Entwicklung eines Objektives für ein Fluoreszenzmikroskop durch das Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. Dieses beschäftigt sich der mit Gewinnung von Quanteninformationen einzelner Atome, genauer Untersuchungen zur Bildgebung von kalten Cäsium-Atomen, die eingeschlossen in optischen Gittern sind. asphericon entwickelte und fertigte für das aus zwei Linsen bestehende System Asphären mit hoher NA, die den hohen Anforderungen an Temperatur und Ausgasungsraten standhalten.
Projektdetails
Das Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn forscht mit einer bisher unerreichten räumlichen Auflösung im Bereich der Bildgebung und optischen Kontrolle von ultrakalten Cäsiumatomen, die in einem optischen Gitter gefangen sind. Um jedes einzelne Atom, welche im Gitter durch 500 nm getrennt sind, vollständig aufzulösen, benötigten die Forscher ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur (NA). Abbildungssysteme mit hoher NA zeichnen sich durch einen kurzen Arbeitsabstand von < 1mm aus. Daher sollte das Objektiv in der Lage sein, direkt im Ultrahochvakuum (~ 10-11 mbar) zu arbeiten, wo die Atome eingefangen und mit Laserstrahlen manipuliert werden können. Aufgrund der hohen Vakuumanforderungen (z.B. Temperatur, Ausgasungsraten) war zu Forschungsbeginn kein derartiges System auf dem Markt verfügbar. Das Institut entwickelte und charakterisierte daher selbst ein Zwei-Linsen-System. Die hierfür benötigten Asphären mit einer nominalen NA von 0,92 entwickelte und stellte asphericon her. Nach gründlicher Toleranzanalyse wurden alle Abweichungen so gewählt, dass sie die Fertigungstoleranzen um mindestens eine Größenordnung übersteigen.
Projektrealisierung
Beide Linsen aus N-SF10 wurden von asphericon gefertigt und in eine Keramikfassung (Al2O3) montiert. Die Charakterisierung der optischen Leistung erfolgte durch die Messung mittels Punktspreizfunktion. Aufgrund der hohen NA des Objektivs wurde diese mit zirkular polarisiertem Licht durchgeführt, das von einer aluminiumbeschichteten, sich verjüngenden optischen Faserspitze mit einem Spitzendurchmesser von nur 100 nm ausgesendet wurde. Durch diese Methode konnte gezeigt werden, dass die Leistung des Objektivs bei voller NA beugungsbegrenzt ist (Strehl-Verhältnis > 0,8), was vor allem der hohen Qualität der optischen Flächen zugeschrieben werden kann.
Aufbau der Objektivlinse
Objektivlinse bestehend aus: (1) einer Asphäre mit Ø 25 mm, (2) einer Sphäre mit Ø 20 mm und (3) einer Keramikfassung.
Abb. 1 Zweilinsiges Objektiv mit hoher NA, kompatibel mit der Ultrahochvakuumumgebung.
Charakterisierungsaufbau
Das von einer SNOM-Faserspitze emittierte Licht wird durch das Objektiv mit hoher NA kollimiert und auf eine CCD-Kamera fokussiert.
Abb. 2 Aufbau für die Messung der Punktspreizfunktion und die erreichte Messung
Optiken für das Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn auf einen Blick:
- Entwicklung und Herstellung von einzigartigen Asphären (NA = 0,92), die im Ultra-Hochvakuum unter starken Temperaturschwankungen einsetzbar sind
- Fertigung eines anspruchsvollen Linsendesigns mit Strehl = 0,99
Weiterführende Informationen: C. Robens, S. Brakhane, W. Alt, F. Kleißler, D. Meschede, G. Moon, G. Ramola, A. Alberti: „High numerical aperture (NA = 0.92) objective lens for imaging and addressing of cold atoms“, In: Optics Letters, Vol. 42 (2017), Issue 6, pp. 1043-1046
