Mit akustischen Wellen der Elastizität auf der Spur

Doktorand Felix Wäger gewinnt Student Paper Award der renommierten Biophotonik Fachtagung.

Die Idee zum LITEScope Projekt geht aus der Promotion von Matthias Domke hervor, in der die zeitlichen Vorgänge bei der Laserbearbeitung von dünnen Schichten untersucht wurden. In einem parallel dazu durchgeführten Kleinprojekt wurde entdeckt, dass das zur Untersuchung der Laser-Materie-Wechselwirkung verwendete „Pump-Probe-Mikroskop“ auch zur Anregung und Detektion von Oberflächenwellen in Hartgewebe und somit zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften geeignet ist. Basierend auf dieser Entdeckung wurde ein Bridge-Projekt bei der FFG beantragt und damit Ende 2019 die Finanzierung erhalten, das Mikroskop an der FH Vorarlberg aufzubauen und weiterzuentwickeln. Zusammen mit der Pathologie Feldkirch, der Firma Prospective Instruments in Dornbirn am Campus V und der Hochschule München wird untersucht, wie sich das Verfahren mit anderen Lasermikroskop-Methoden kombinieren lässt und welche neuen Anwendungsfelder möglich sind.

Das Prinzip der Pump-Probe-Mikroskopie kann man sich in etwa so vorstellen, als würde man selbst ein kurzes Ereignis auslösen, z.B. einen Stein ins Wasser werfen, und dieses zu einem bestimmten Zeitpunkt, z.B. während dem Aufprall, mit einer Blitzlichtkamera festhalten. In unserem Fall wird das Ereignis, die akustische Welle, von einem Ultrakurzpulslaser (Spectra-Physics in Rankweil) ausgelöst und nur wenige Nanosekunden später durch Belichten mit einem zweiten, zeitlich verzögerten Laserpuls festgehalten und mit einem Mikroskop mit Kamera aufgenommen (Siehe Bild a)). Das entstandene Mikroskopbild zeigt dann die erzeugten Druckwellen in einem Bereich von circa 20-100 µm – das entspricht etwa dem Durchmesser des menschlichen Haars – um die Einschlagstelle des ersten Laserpulses (Siehe Bild b) und c)). Daraus lassen sich die Schallgeschwindigkeiten ermitteln und Rückschlüsse auf die elastischen Eigenschaften des Materials ziehen. Im Gegensatz zur klassischen Photoakustik werden dabei keine Schallsensoren benötigt, da die Detektion rein optisch erfolgt, wodurch sie einfacher mit anderen Lasermikroskopverfahren kombiniert werden kann. Hinzukommt, dass die aufgenommenen Bilder der Druckwellen sogar richtungsabhängige Informationen enthalten, was besonders interessant ist, wenn anisotrope Materialien, wie kristalline Materialien oder Hartgewebe (wie in Bild b)), untersucht werden sollen.

Die Herausforderung besteht darin, die Wellen überhaupt erst sichtbar zu machen. Dazu testen wir verschiedene Laserparameter, Belichtungszeitpunkte, Mikroskopie- und Bildverarbeitungstechniken. Dabei hat sich herausgestellt, dass die optimalen Einstellungen sehr stark von der zu untersuchenden Materialklasse abhängen. Mittlerweile ist es uns gelungen akustische Wellen in Hartgewebe, Glas, Si und SiC zu detektieren und das Signal-Rauschverhältnis wesentlich zu verbessern. Zukünftig könnte das Verfahren für die Materialanalyse oder zur Diagnostik von Hartgewebe von Nutzen sein. Ob es sich auch für weiches Gewebe, z.B. zur Krebsdiagnostik, eignet, wird im weiteren Projektverlauf in Zusammenarbeit mit Prospective Instruments in Dornbirn und der Pathologie Feldkirch untersucht.

Der Mechatronik Masterabsolvent Felix Wäger MSc des Forschungszentrum Mikrotechnik hat erste Projekt-Ergebnisse auf dem Poster “Detection of Acoustic Waves with Pump-Probe Microscopy” anlässlich der „European Conferences on Biomedical Optics 2021“ (ECBO) vorgestellt und den Student Poster Award im Bereich “Emerging Technologies for Cell and Tissue Characterization” gewonnen.

 

 

Mit akustischen Wellen der Elastizität auf der Spur
Die Herausforderung bestehe darin, die Wellen überhaupt erst sichtbar zu machen. Dazu werden verschiedene Laserparameter, Belichtungszeitpunkte, Mikroskopie- und Bildverarbeitungstechniken getestet. © Credit: FH Vorarlberg/FZ Mikrotechnik

Kontakt für interessierte Unternehmen:

Felix WÄGER, M.Sc.
Forschungsmitarbeiter
Forschungszentrum Mikrotechnik
Fachhochschule Vorarlberg GmbH
University of Applied Sciences
CAMPUS V, Hochschulstraße 1
6850 Dornbirn, Austria
felix.waeger@fhv.at
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