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High Resolution Nonscanning Multiphoton Polarimetric Microscope (PolarNon)

Titel Englisch High Resolution Nonscanning Multiphoton Polarimetric Microscope (PolarNon)
Gesuchsteller/in Timofeeva Mariia
Nummer 173829
Förderungsinstrument Bridge - Proof of Concept
Forschungseinrichtung Institut für Quantenelektronik ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Mikroelektronik, Optoelektronik
Beginn/Ende 01.07.2017 - 31.12.2018
Bewilligter Betrag 192'810.00
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Alle Disziplinen (5)

Mikroelektronik, Optoelektronik
Andere Gebiete der Physik
Physik der kondensierten Materie

Keywords (9)

semiconductor industry; nanotechnology; nonscanning multiphoton polarimetric microscope; second-harmonic generation; crystal structure; microscopes market; multiphoton scanning laser microscope; per-pixel analysis; nonlinear optics

Lay Summary (Deutsch)

Das Multiphotonenmikroskop (PolarNon) ist ein teures Gerät sowie dessen Software. Es ermöglicht die Untersuchung von Materialeigenschaften durch die polarisationsabhängige Messung von nichtlinearen Signalen ohne Scannen wie es in kommerziellen Systemen verwendet wird. Das Multiphotonenmikroskop hat den Vorteil gegenüber anderen Mikroskopen, dass es keine speziellen Probenvorbereitung oder spezielle Messbedingungen benötigt wie zum Beispiel niedrige Temperaturen, Vakuum oder ultradünne Substrate. Das Herzstück dieser vorgeschlagenen Lösung ist eine Methode, die eine Analyse der polarisierten nicht linearen Signalbilder pro Pixel mit einem Klick vornimmt.
Lay summary
Für die Qualitätskontrolle ist die Materialanalyse das Schlüsselelement. Die Charakterisierung der Eigenschaften findet Anwendung in der Medizin-, Elektronik- und Photonikindustrie. Fluoreszenz-, Elektronen- und Photolumineszenzmikroskopie sind die am häufigsten verwendeten Methoden zur Materialanalyse in der Forschung und in der Industrie. Diese Methoden erfordern komplizierte Vorbereitungen der Proben und spezielle Umgebungsbedingungen. Diese Voraussetzungen schränken die Anwendungsbereiche ein und erhöhen die Kosten für die Analyse. Das PolarNon basiert auf der Charakterisierung der nichtlinearen optischen Signale, welches nicht die Nachteile des Ausbleichens in der Fluoreszenzmikroskopie, die ultradünnen Probenvorbereitung in der Elektronenmikroskopie und die tiefen Temperaturen in der Photolumineszenz hat.
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 03.03.2017

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende



The analysis of materials is a key element for quality control and properties characterization in medical, electronic and photonic industry. Currently, fluorescence imaging, electron microscopy and micro-photoluminescence studies are the most common tools for material analysis in research and industry areas. These methods require complex sample preparation and special environment conditions that limits their application and increases cost of analysis.I propose to use nonlinear optical responses of materials to avoid staining procedure for fluorescence imaging, ultrathin samples preparation for transmission electron microscopy, or low temperature environment for photoluminescence. Indeed, nonlinear optical microscopy used infrared light instead of visible light, allow for deep penetration due to less scattering and natural spectral filtering, since the detection is at different wavelength than the excitation. It is a very powerful technique for many biological samples and common materials for nanotechnology, such as III-V and II-VI semiconductors, perovskite and other materials with non-symmetric crystal structure. Moreover, nonlinear responses are strongly dependent on material properties, and can be a very effective feature to study their different characteristics. The potential of using nonlinear optical methods in material science is very high, but existing solutions are not convenient enough in terms of equipment, sample preparation and human resources costs.In this project, I will build a nonlinear microscope prototype PolarNon - composed of a cost-effective hardware and software solution for studying material properties by measuring polarization dependency of nonlinear responses without the need to scan the light as in current commercial systems. The PolarNon system does not require special sample preparation or measurement conditions, like low temperatures, vacuum or ultrathin substrates. The core of the proposed solution is my method of per-pixel analysis of images of polarized nonlinear responses to reconstruct the material crystalline properties down to the pixel resolution with one-click. I already successfully applied this approach to several material science problems for predicting samples inner structure. For instance, I applied it to precisely characterize crystal structures variations within single gallium arsenide nanowires. I believe that the proposed solution can be effectively applied in industry and research. To achieve that I will assemble a compact nonlinear microscope with automatized stages and enhance the software for the per-pixel analysis with a user-friendly interface. The Bridge program will help me to prepare the commercial prototype with hardware and software components, to analyse its commercial potential and to advertise it at conferences and exhibitions dedicated to photonic or material sciences.