Enhancing x-ray diffractive imaging and optical microscopy by use of intensity correlations
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Abstract
In this thesis we propose intensity correlation enhanced imaging techniques in two major areas of imaging with light. The first area is diffractive imaging. Based on the measurements of higher-order intensity correlation functions of incoherent light fields, and a specific detection strategy, superresolving imaging of arbitrary 1D and 2D arrays of thermal light sources, in the optical and in the XUV regime, can be achieved. We further propose to use intensity correlations of incoherent x-ray fluorescence to reach atomic resolution via a technique we call incoherent diffractive imaging (IDI). We present the theory and discuss a number of properties which are conceptually superior or complementary to coherent methods. IDI may thus open new strategies for x-ray structure determination. The second area is superresolution microscopy. Intensity correlation microscopy (ICM) can be used to achieve superresolution via an auto-correlation analysis in the image plane of a microscope. Structured illumination microscopy (SIM) is an alternative method to reach the same goal. We propose to fruitfully combine ICM and SIM, resulting in structured illumination intensity correlation microscopy (SI-ICM). SI-ICM enhances both the lateral and axial resolution further, resulting in full 3D superresolution. We present the theory and simulations, which verify the theoretical predictions. Since SI-ICM is applicable in the linear regime, it is especially interesting for biological imaging.
Abstract
In dieser Arbeit präsentieren wir verschiedene Ansätze, um Bildgebungsmethoden unter Nutzung von Intensitätskorrelationen zu verbessern. Im ersten Ansatz betrachten wir Fernfeld-Diffraktometrie. Dabei werden Intensitätskorrelationen von inkohärenten Lichtemittern genutzt um, in Kombination mit speziellen Detektionsstrategien, beliebige 1D und 2D Arrays thermischer Lichtquellen superauflösend abzubilden, sowohl im optischen als auch im XUV Bereich. Weiterhin schlagen wir die Verwendung von Intensitätskorrelationen für inkohärente Röntgenfluoreszenz vor, um Atome in Kristallen, mittels einer Technik die wir incoherent diffractive imaging (IDI) nennen, abzubilden. Wir präsentieren die Theorie und diskutieren eine Reihe von Eigenschaften die zu kohärenten Methoden entweder komplementär oder konzeptionell überlegen sind. IDI könnte daher fundamental neue Ansätze für die Röntgenstrukturanalyse eröffnen. Der zweite Ansatz behandelt superauflösende Mikroskopie. Intensitätskorrelationsmikroskopie (ICM) erreicht eine Superauflösung durch die Analyse von Autokorrelationen in der Bildebene eines Mikroskops. Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) ist ein alternativer Ansatz der ebenfalls Superauflösung ermöglicht. Wir schlagen vor ICM und SIM gewinnbringend zu structured illumination intensity correlation microscopy (SI-ICM) zu kombinieren. SI-ICM erhöht sowohl die laterale, als auch die axiale Auflösung, und ermöglicht somit volle 3D Superauflösung. Wir präsentieren die Theorie, sowie Simulationen, die diese bestätigen. Da SI-ICM lediglich eine lineare Anregung bei niedriger Intensität benötigt, ist es besonders vielversprechend für die Bildgebung biologischer Objekte.