Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging (d.h. zur 3D-Bildgebung), insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich.

Die Untersuchung von biologischen 3D- Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-gm-Bereich erfolgt bisher durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit einer Ortsauflösung im nm- Bereich (derzeit ab 0,045 nm), durch Röntgenbeugung / Röntgendiffraktion (XRD) mit einer Ortsauflösung im Sub-gm-Bereich (bis 10 nm) und durch markierungsfreies Imaging mittels photonen- induzierter Kraftmikroskopie (PiFM).

Der Nachteil der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) besteht darin, dass die ursprünglichen in vivo-Strukturen der biologischen 3D- Objekte eine aufwendige Probenvorbereitung durchlaufen müssen. Beispielsweise werden die biologischen 3D-Objekte durch aufwendige Präparation eingebettet und in dünne Scheiben aufgeteilt und anschließend auf einem Ultramikrotom in ultradünne in Schichten geschnitten, werden müssen, da das Objekt ausreichend dünn sein muss, damit die Elektronen es durchstrahlen können. Die TEM eignet sich daher besonders gut für die direkte Abbildung von Zellstrukturen (d.h. Zellschnitten) von Prokaryoten und Eukaryoten.

Der Nachteil der Röntgenbeugung / Röntgendiffraktion (XRD) besteht darin, dass das biologische Material aufwendig kristallisiert werden muss, da die Beugung der Röntgenstrahlung nur an geordneten Strukturen, wie bspw. Kristallen) erfolgt und bei der Kristallisation meist die ursprüngliche in vivo-Strukturen der biologischen 3D- Objekte zerstört werden. Die XRD eignet sich daher besonders gut zur Untersuchung der Struktur der DNA oder der Struktur von Proteinen, wie bspw. Enzymen aus prokaryotischen und eukaryotischen Zellen.

Der Nachteil der photoneninduzierter Kraftmikroskopie (PiFM) besteht darin, dass lediglich Informationen im 10 bis 20 nm- Bereich über die Oberfläche, jedoch keine Tiefeninformationen der biologischen 3D- Objekte gewonnen werden können und keine markierungsfreie Detektion einzelner Moleküle oder Atome möglich ist. Die PiFM eignet sich daher besonders gut zur 3D-Untersuchung von Zelloberflächen und ähnlichen Strukturen, wobei auch nichtleitende Proben untersucht werden können.

Darüber hinaus ist bekannt, dass Lichtdetektoren an sich entscheidende Komponenten optischer Bildgebungs- und Telekommunikationssysteme sind.

Als Lichtdetektor / Photosensor /optischer Detektor / optoelektronischer Sensor, werden hier elektronische Bauelemente bezeichnet, die Licht unter Benutzung des photoelektrischen Effekts in ein elektrisches Signal umwandeln oder einen von der einfallenden Strahlung abhängigen elektrischen Widerstand zeigen.

So kennt man bspw. seit Jahrzehnten Einzelphotonendetektoren in Form von Photomultipliem oder Photodioden als Lichtdetektoren.

Ein ultimativer Photonendetektor muss dabei in der Lage sein, die elementare Anregung der einfallenden Strahlung (= ein einzelnes Photon) zu detektieren. Realisiert wird ein solcher Photonendetektor seit einigen Jahren in Form eines supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektors (SNSPD oder SSPD).

Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor (SNSPD oder SSPD) ist eine Art optischer und Nahinfrarot-Einzelphotonendetektor, der auf einem stromgespeisten supraleitenden Nanodraht basiert und eine Photonenzählung ermöglicht.

Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor (SNSPD) besteht aus einem dünnen supraleitenden Film auf einem isolierenden Trägermaterial. Der supraleitende Film wird durch Nanofabrikationsprozesse zu einem mäandrierden Nanodraht geformt. Dieses Geometrie des Einzelphotonendetektors ermöglicht es, eine große Oberfläche auf dem isolierenden Trägermaterial abzudecken, die gesamte einfallende Strahlung, welche bspw. mittels einer optischen Faserin den SNSPD eingekoppelt wird, zu sammeln und gleichzeitig einen einzigen Pfad für den Stromfluss bei Stromspeisung zu schaffen. Die Detektoren in Form der SNSPD werden vorwiegend im Bereich von 1 bis 4 Kelvin betrieben und ein konstanter Strom (Ruhestrom = sogenannter Vorspannungs- oder Bias-Strom) unterhalb des kritischen Stroms des supraleitenden Materials in Nanogeometrie wird in den SNSPD gespeist. Der nanoskalige Querschnitt verleiht den SNSPD eine extrem hohe Empfindlichkeit, was den Nachweis der Absorption nur eines einzelnen Photon ermöglicht.

Sobald ein einzelnes Photon im mäandrierten Nanodraht der SNSPD absorbiert wird, wird der Nanodraht in einem kleinen Bereich erwärmt, wodurch die Supraleitung lokal gebrochen und ein elektrischer Widerstand im SNSPD lokal induziert wird. Dieser temporäre Widerstand erzeugt bei anliegendem Bias- Strom einen Spannungsimpuls, der von der angeschlossenen Verstärkungselektronik registriert wird. Innerhalb weniger Nanosekunden kühlt sich dererwärmte Bereich wieder ab und der SNSPD ist bereit, das nächste Photon zu detektieren.

Im Vergleich zu anderen Arten von Einzelphotonendetektoren besitzt der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor eine sehr hohe Detektionseffizienz, eine sehr niedrige Dunkelzählrate und einen sehr geringen zeitlichen Jitter.

Zur Erläuterung dieser drei Begriffe / Eigenschaften:

• sehr hohe Detektionseffizienz auf Grund niedrige Totzeit, (d.h. Zeitintervall nach einem Detektionsereignis, in dem der Detektor nicht empfindlich ist) in der Größenordnung von einigen Nanosekunden. Diese kurze Totzeit führt zu sehr hohen Sättigungszählraten, was zu einer sehr hohen Detektionseffizienz führt.

• niedrige Dunkelzählraten (das Auftreten von Spannungsimpulsen auf der Verstärkungselektronik in Abwesenheit eines detektierten Photons)

• niedriger Jitter (d.h. die Unsicherheit in der Ankunftszeit der Photonen) im Bereich von Pikosekunden. Der Timing-Jitter ist eine äußerst wichtige Eigenschaft für Anwendungen der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC).

Zum Prinzip der Funktionsweise eines supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektors : Der supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektor besteht aus einem dünnen (~ 5 nm bis - 100 nm) supraleitenden Nanodraht, dessen Länge in der Regel Hunderte von Mikrometern beträgt, wobei der Nanodraht in einer kompakten Mäandergeometrie strukturiert ist, um ein quadratisches oder rundes Pixel mit hoher Detektionseffizienz auf dem isolierenden Trägermaterial zu erzeugen.

Der Nanodraht wird unter seine kritische Temperatur (Spannungstemperatur) abgekühlt und mit einem konstantem Gleichstrom (Bias- Strom) beaufschlagt, der nahe am kritischen Strom des supraleitenden Nanodrahts liegt, aber geringer ist als dieser.

Ein auf den Nanodraht auftreffendes Photon bricht Cooper-Paare und reduziert den lokalen kritischen Strom unter den des Vorspannungsstroms. Dies führt zur Bildung eines lokalisierten nichtsupraleitenden Bereichs oder Hotspots mit erhöhtem elektrischen Widerstand. Dieser Widerstand ist in der Regel größer als die 50-Ohm- Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers, so dass der größte Teil des Bias- Stroms zum Verstärker abgeleitet wird. Dies erzeugt einen messbaren Spannungsimpuls, der ungefähr dem Bias- Strom multipliziert mit 50 Ohm entspricht.

Die Zeit, die der Strom benötigt, um zum Nanodraht zurückzukehren, wird in der Regel durch die induktive Zeitkonstante des Nanodrahts bestimmt, die gleich der kinetischen Induktivität des Nanodrahts geteilt durch die Impedanz des Ausleseschaltkreises ist. Für eine ordnungsgemäße Selbstrückstellung des Geräts muss diese induktive Zeitkonstante langsamer sein als die intrinsische Abkühlungszeit des Hotspots des Nanodrahts.

Die meisten, derzeit bekannten supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektoren bestehen aus gesputtertem Niobnitrid (NbN), das eine relativ hohe kritische Supraleitungs-Temperatur (~ 10 K) aufweist, die den SNSPD-Betrieb im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K ermöglicht (kompatibel mit flüssigem Helium oder modernen Kryokühlem mit geschlossenem Kreislauf). Die intrinsischen thermischen Zeitkonstanten von NbN sind kurz, was zu einer sehr schnellen Abkühlung nach der Photonenabsorption führt (<100 Pikosekunden). Aktuelle und neu entstehende Anwendungen von supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren umfassen u.a. die Abbildung von Infrarot-Photoemission, die Charakterisierung von Einzelphotonen- Emittem und die Photonendetektion mit hoher Zeitauflösung.

WO 2015/139361 Al offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der extrinsischen Dunkelzahl eines Nanodraht- Einzelphotonendetektors, wobei ein mehrschichtiger Filmfilter auf einem supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor vorgesehen ist und der mehrschichtige Filmfilter dielektrisch ist sowie eine Bandpassfilterfunktion aufweist.

Dabei ist ein Substrat mit einer Oberfläche des Mehrschichtfilters verbunden, wobei das Substrat eine obere Oberfläche aufweist, die mit einer oberen Antireflexionsschicht verbunden ist, und eine untere Oberfläche, die mit einer unteren Antireflexionsschicht verbunden ist und eine optische Hohlraumstruktur ausbildet, die mit einer Oberfläche der oberen Antireflexionsschicht des Substrats verbunden ist, wobei sich der supraleitende Nanodraht zwischen der oberen Antireflexionsschicht des Substrats und der Struktur des optischen Hohlraums befindet und ein Reflektor vorgesehen ist, der mit einer Oberfläche der Struktur des optischen Hohlraums verbunden ist.

Ein markierungsfreies 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich ist mit dieser Anordnung und diesem Verfahren nicht möglich.

WO 2020/127927 Al offenbart einen Photodetektor, umfassend ein Mikrozellenarray und ein Ausgangsmodul, das so konfiguriert ist, dass es von jeder Mikrozelle ein Ausgangssignal bei einer Photonendetektion durch diese Mikrozelle sammelt und die gesammelten Ausgangssignale zu mindestens einer Ausgangsleitung kombiniert. Jede Mikrozelle besteht aus einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung, wobei mindestens eine der Vorrichtungen eine lichtempfindliche Vorrichtung ist, die in der Lage ist, das Photon zu erkennen, ein Modul mit zeitlicher Auflösung, das mit dieser lichtempfindlichen Vorrichtung(en) verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie ein Auslösesignal an diese lichtempfindliche Vorrichtung(en) liefert, um sie zu aktivieren, und ein Lesemodul, das für den Empfang konfiguriert ist, wenn das Photon auf den aktivierten lichtempfindlichen Geräten ankommt, ein entsprechendes Signal von der/den aktivierten lichtempfindlichen Vorrichtung(en) und auf der Grundlage des empfangenen Signals das Ausgangssignal an das Ausgangsmodul zu liefern.

Dabei lehrt die WO 2020/127927 Al, dass die erste Vorrichtung als auch die zweite Vorrichtung Einzelphotonen-Dioden sind und das Gate-Signal verwendet wird, um eine Reverse- Vorspannung (die sogenannte Reverse- oder Bias-Spannung) über die erste lichtempfindliche Vorrichtung und die zweite lichtempfindliche Vorrichtung von unten nach oben über eine Durchbruchspannung davon zu modulieren. Das Auslesemodul ist dabei eine differentielle Ausleseschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Strom-/Spannungsänderung in der ersten Vorrichtung oder in der zweiten Vorrichtung erkennt, die durch die Detektion des Photons verursacht wird, und das Ausgangssignal liefert, das auf diese Photonendetektion hinweist.

Ein markierungsfreies 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich ist mit dieser Anordnung und diesem Verfahren nicht möglich.

Lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquellen [ultrakurze Hochleistungslaser für die Erzeugung hoher Oberwellen (sogenannte HHG) in Gasen] im extrem ultravioletten Bereich (EUV mit 10 -124 nm Wellenlänge) und im weichen Röntgenbereich (SXR mit 1 -10 nm Wellenlänge) ermöglichen nanoskopische Bildgebung durch linsenlose Abbildungsverfahren mit einzigartigem markierungsfreien

Elementarkontrast. Um jedoch die einzigartigen Eigenschaften dieser neuen Lichtquellen voll auszunutzen, müssen neuartige Detektionsverfahren bereitgestellt werden.

In bisher gängigen EUV/SXR-Bildgebungsan Wendungen werden typischerweise rückseitig beleuchtete, gedünnte CCD-Detektoren auf Siliziumbasis als Detektoren verwendet. Die Quanteneffizienz dieser Detektoren kann im EUV-Bereich Werte von mehr als 90 % [I. Moody, M. Watkins, R. Bell, M. Soman, J. Keelan, and A. Holland, CCD QE in the Soft X-ray Range. (2017)] erreichen. Allerdings ist das SNR durch Ausleserauschen und Dark Counts begrenzt und daher nicht ideal für die EUV/SXR-Bildgebung mit minimiertem Photonendurchsatz.

Darüber hinaus können diese Detektoren aufgrund ihres integrierenden Messprinzips in Verbindung mit der für die linsenlose Bildgebung typischen sehr unterschiedlichen Beleuchtung verschiedener Regionen auf dem Detektor die sehr hohe Wiederholrate von mehreren 100 kHz von High-Flux-HHG-Quellen nicht nutzen, da die Auslesezeiten typischerweise in der Größenordnung von Millisekunden bis hin zu Sekunden liegen.

Die Photonenzählung im SXR- und EUV- Bereich wird bisher üblicherweise mit Hilfe von Elektronenvervielfacher-Mehrkanalplatten (MCP) durchgeführt. Der Wirkungsgrad der MCPs und damit auch deren Einsatz ist aufgrund des offenen Flächen Verhältnisses der MCPs, der hohen Dunkelzählrate und der geringen Zählrate begrenzt.

CCD-Kameras können einzelne Photonen härterer Röntgenstrahlung detektieren und somit als Zähldetektoren verwendet werden, CCD- Kameras haben limitierend geringe Auslesezeiten in der Größenordnung von Millisekunden bis hin zu Sekunden.

Für Photonen niedriger Energie ist das Zählen mit CCDs aufgrund des Ausleserauschens nicht möglich.

Es gibt eine Reihe von Halbleiterdetektoren für die Photonenzählung, wie z. B. Avalanche-Photodioden [S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori, and F. Zappa, Avalanche photodiodes and quenching circuits for singlephoton detection. Appl. Opt. 35, 1956 (1996)] oder

Elektronenvervielfacher-CCD-Detektoren [D. J. Denvir and E. Conroy, Electron-multiplying CCD: the new ICCD. in Proc. SPIE, vol. 4796 C. B. Johnson, D. Sinha, and P. A. Laplante, eds. (2003), p. 164], jedoch meist für den infraroten und optischen Wellenlängenbereich. Daher weisen diese Geräte in der Regel keine oder nur eine sehr geringe Detektionseffizienz für EUV- und SXR-Photonen auf, und ihre Zählraten sind in der Regel viel geringer als die Wiederholrate von HHG-Quellen mit hohem Fluss. Fuchs, S. et al., Optical coherence tomography with nanoscale axial resolution using a laser-driven high-harmonic source. Optica, 4, 903- 906, 2017 offenbart eine Kohärenztomographie mit nanoskaliger axialer Auflösung, d. h. eine nichtinvasiven Querschnittsbildgebung, mit hohen Harmonischen unter Verwendung einer lasergesteuerten hochharmonischen Quelle. Dabei werden eine Tiefenauflösung von 24 nm und ein sehr guter Materialkontrast erreicht. Übermäßig anspruchsvolle Optiken für extreme ultraviolette Strahlung werden vermieden und Artefakte aufgrund der elementaren Geometrie werden mit einem dreistufigen eindimensionalen Phasenabrufalgorithmus unterdrückt. Die Bilder werden in Reflexionsgeometrie aufgenommen, was die Analyse z. B. von Halbleiterproben mit Hilfe von Tischgeräten für die Mikroskopie im extrem ultravioletten Bereich erleichtert.

Knehr, E. et al., Nanowire single-photon detectors made of atomic layer- deposited niobium nitride, Supercond. Sei. Technol. 32, 125007, 2019 offenbart supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren, die aus atomar abgeschiedenen (ALD) NbN-Schichten hergestellt werden. Um die Eignung dieser Schichten als Detektormaterial zu beurteilen, wurden die Transporteigenschaften von nackten Schichten und von Brücken mit unterschiedlichen Abmessungen und Dicken untersucht. Für Mikrobrücken aus ALD- und gesputterten NbN-Schichten wurden ähnliche Verhältnisse zwischen dem gemessenen kritischen Strom und dem Entlüftungsstrom ermittelt. Darüber wurde die Einzelphotonenantwort für 5 und 10 nm dicke Nanodrahtdetektoren charakterisiert.

Ein 100 nm breiter gerader Nanodraht mit einer Länge von 5 pm zeigt dabei eine gesättigte Abhängigkeit der Zählrate vom Biasstrom und eine Grenzwellenlänge im nahen Infrarotbereich. Die ALD-Technik eröffnet die Möglichkeit, Detektoren auf NbN-Basis im Wafermaßstab herzustellen und auch nicht ebene Oberflächen für neuartige Gerätekonzepte konform zu beschichten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich anzugeben, welches die zuvorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere eine Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung, wie z.B. Quanten- Ghost-Imaging mit nanoskaliger Auflösung, ermöglicht, wobei die Empfindlichkeit des bereitgestellten EUV/SXR- Detektors für die linsenlosen Abbildungsmethoden so hoch wie möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem 1. Patentanspruch und ein Verfahren gemäß dem 7. Patentanspruch gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Unteransprüchen angegeben.

Es wird ein langgestreckter supraleitender Nanodraht- Einzelphotonendetektor (sSNSPD) zum markierungsfreien 3D- Imaging, insbesondere zur Untersuchung von biologischen Objekten mit einer Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich bereitgestellt und eingesetzt, der nicht wie üblich einen mäandrierten Nanodraht aus supraleitendem Material mit einem nanoskaligen Querschnitt auf einem Trägersubstrat umfasst (= SNSPD), welcher stromgespeist ist und im Bereich von 1 bis 4 Kelvin mit einem konstanten Strom unterhalb des kritischen Stroms des Supraleiters betrieben wird, sondern als gerader, langgestreckter Nanodraht aus supraleitendem Material (= Supraleiter) mit einem nanoskaligen Querschnitt auf einem elektrisch isolierenden Trägersubstrat ausgeführt ist, um einen einzigen geraden Pfad für den Strom zu schaffen. An beide Enden des Nanodrahtes wird jeweils ein Spannungspuls VI und V2 gemessen. Die Ortsauflösung des Nanodrahtes ist in der einen Raumrichtung der Ebene durch die Breite des nanoskaligen Querschnitts und in der anderen Raumrichtung der Ebene senkrecht zur Breite durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse V 1 und V2 limitiert.

Dieser gerade supraleitende Nanodraht wird weit unter seine supraleitende kritische Temperatur abgekühlt (im Bereich von 1 bis 4 Kelvin) und mit einem konstantem Gleichstrom betrieben, der nahe am supraleitenden kritischen Strom des Nanodrahts liegt, aber geringer ist als dieser. Die Anordnung zum markierungsfreien 3D- Imaging, welche diesen gerade verlaufenden, supraleitenden Nanodraht beinhaltet, umfasst folgende Bestanteile:

- eine lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle in Form eines ultrakurzen Hochleistungslasers für die Erzeugung hoher Oberwellen (HHG) in einer Gasumgebung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 124 nm, wobei Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) in einem Argon-Gasstrahl fokussiert und die im Fokus erzeugte HHG- Strahlung durch eine dünne Metallfolie (bspw. Aluminiumfilterfolie) verläuft,

- einen Toroidspiegel, welcher die HHG- Strahlung auf einen Zwischenfokus fokussiert und von dem diese dann zum Einzelphotonendetektor in Form des sSNSPD gelangt,

- eine Probenaufnahme zum ortsgenauem Positionieren einer zu untersuchenden biologischen Probe im Zwischenfokus,

- zumindest ein gerader, langgestreckter supraleitender Nanodraht, welcher auf einem Träger (bspw. aus Saphirsubstrat) aufgebracht ist (bspw. durch Sputtern oder Atomlagen-Abscheidung), wobei der Nanodraht bspw. eine Niobnitrid-Schicht (NbN-Schicht) ist, welche auf ein Substrant, bspw. ein Saphir Substrat, aufgesputtert ist und den Einzelphotonendetektor ausbildet, wobei dieser Nanodraht vorteilhaft in einen koplanaren Wellenleiter eingebettet ist, der mit einem Bias-Tee verbunden ist, das die Biasund Ausleseleitungen trennt und das separate Auslesen von Spannungspulsen an den beiden Enden des sSNSPD ermöglich,

- einen Kryokühler mit geschlossenem Kreislauf zum Kühlen des linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodrahts im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K, wobei Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen sSNSPD ‘s bestehen, um das Ausfrieren von Restgas aus der HHG- Quelle an der Position des Nanodrahts zu verhindern,

- eine Stromquelle für das Einspeisen des Bias- Stroms in den linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodraht und - einen Ausleseverstärker mit Aus Werteeinheit zum Messen der Spannungsimpulse VI und V2 an den beiden Enden des sSNSPD vorgesehen ist, welche in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (durch lokale Reduktion des kritischen Stroms unter den Bias- Stroms, was zur Bildung eines lokalisierten nicht-supraleitenden Bereichs mit begrenztem elektrischem Widerstand führt, der größer als die Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers ist, so dass der größte Teil des Bias- Stroms zum Verstärker abgeleitet wird, was zu dem messbaren Spannungsimpuls führt) erzeugt.

Um die Ortsauflösung bei der Detektion der transmittierten Einzelphotonen zu gewährleisten, wird mindestens ein gerader supraleitenden Nanodraht, besonders vorteilhaft jedoch eine Matrix aus mehreren geraden parallel zueinander verlaufenden supraleitenden Nanodrähten, welche auf einen Träger aufgebracht sind, als ultraschneller Einzelphotonendetektor (sSNSPD) verwendet.

Dabei besteht der linear, gerade langestreckt verlaufende Nanodraht (sSNSPD) aus einer supraleitende Schicht, besonders vorteilhaft aus Niobnitrid (NbN)-Schicht, die auf einen Träger abgeschieden ist (bspw. als 3 bis 20 nm dicke, vorteilhaft 10 nm dicke sowie 50 bis 200 nm breite, vorteilhaft 100 nm breite NbN-Schicht) und das eine relativ hohe kritische Supraleitungs-Temperatur (~ 10 K) aufweist, die den sSNSPD- Betrieb im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K ermöglicht, wobei der Träger aus einem geeignetem Substrat, bspw. Saphirsubstrat, besteht.

Besonders vorteilhaft ist bei der Detektion der transmittierten Einzelphotonen aus biologischem Material, dass die sSNSPD in 1D- Pixel-Arrays mit m = 1, .... M Pixeln von sSNSPD’ s oder als 2D-Pixel- Arrays mit M x N Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird, angeordnet sind und der optimale Bedeckungsgrad der Pixel 50% beträgt.

Um das 3D-lmaging an zu untersuchenden biologischen Proben zu gewährleisten, wird die Geometrie des langgestreckten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektores (sSNSPD) so ausgelegt, dass er als ID-Pixel Detektor- Array und als 2D-Pixel-Detektor- Array auf gebaut ist, wobei die hohe Ortsauflösung in der einen Raumrichtung der Detektorfläche durch die Breite des nanoskaligen Querschnitts der Nanodrähte und in der anderen Raumrichtung der Detektorfläche senkrecht zur Breite der Nanodrähte durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse VI und V2 an den Enden der Nanodrähte limitiert ist.

Das Verfahren zum markierungsfreien 3D- Imaging unter Verwendung dieser Anordnung mit mindestens einem geraden Nanodraht läuft wie folgt ab:

Die Anordnung zum markierungsfreien 3D- Imaging, welche mindestens einen gerade verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (sSNSPD) auf einem Trägersubstrat umfasst, ermöglicht die Photonenzählung von EUV/SXR- Strahlung aus lasergesteuerten hochharmonischen Quellen, welche auf biologisches Material treffen.

Die Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) wird in einen Argon-Gasstrahl fokussiert. Die EUV-Strahlung wird erzeugt und durch eine dünne Metallfolie (bspw. Aluminiumfilterfolie) aus dem Laserlicht gefiltert (= Filter zur Trennung der EUV-Strahlung vom restlichen infraroten Laserlicht, um HHG-Strahlung zu erzeugen =HHG-Quelle). Der Filter hat ein Transmissionsfenster von 15 -72 eV, welches die Bandbreite der auf den sSNSPD auftreffenden Photonen bestimmt.

Dabei wird die HHG-Quelle mit Laserpulsen mit einer zentralen Wellenlänge im Bereich von 1300 nm, einer Pulsenergie im Bereich von 2 mJ, einer Pulsdauer im Bereich von ~50 fs und einer Wiederholrate im Bereich von von 1 kHz betrieben.

Diese Pulse werden von dem optischen parametrischen Verstärker (OPA) erzeugt, der mit einem Ti:Sa-Laser (35 fs Pulsdauer, 9 mJ Pulsenergie, zentrale Wellenlänge 790 nm) gepumpt wird.

Durch Fokussierung der linear polarisierten Laserpulse aus dem OPA in einen Argon-Gasstrahl wird der HHG-Prozess ausgelöst, wodurch eine Mischung aus EUV-Strahlung mit der typischen harmonischen Kammstruktur und restlichem Infrarot-Laserlicht entsteht. Dabei werden EUV-Photonen bis zu einer Energie von ~100 eV erzeugt. EUV-Strahlung mit der typischen harmonischen Kammstruktur wird durch dünne Metallfolien von dem restlichen Infrarot-Laserlicht getrennt. Dabei wird als Filtermaterial (Folie) bspw. Aluminium verwendet, welches EUV-Strahlung im Bereich von 15 bis 72 eV durch lässt oder Zirkonium, welches Strahlung oberhalb von ~60 eV durchlässt.

Neben der spektralen Filterung werden die Folien auch zum differentiellen Abpumpen der Restgaslast aus dem Gasstrahl in der HHG- Kammer verwendet.

Die Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen sSNSPD sind entscheidend, um das Ausfrierenvon Restgas aus der HHG- Quelle an der Position des eingesetzten Nanodrahts oder des 1D- Pixel Detektor- Arrays oder des 2D-Pixel-Detektor- Array zu vermeiden.

Der HHG-Strahl wird dabei durch einen Toroidspiegel auf einen Zwischenfokus, in welchem die zu untersuchende biologische Probe angeordnet ist, fokussiert und gelangt dann von diesem zum kryogenen sSNSPD, so dass einzelne Photonen spektral- und polarisationsaufgelöst detektiert werden können und die hohe Auflösung durch die Auswertung der Laufzeitunterschiede der durch die Photonen ausgelösten Signale generiert wird.

Die Ausführung des Einzelphotonendetektors erfolgt dabei als gerader, langgestreckter, supraleitender N anodraht-Einzelphotonen-detektor (sSNSPD), dessen Ortsauflösung in der einen Raumrichtung der Detektionsfläche durch die Breite des nanoskaligen Querschnitts und in der anderen Raumrichtung der Detektionsfläche senkrecht zur Breite durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse VI und V2 limitiert ist.

Der sSNSPD wird mit einer EUV/SXR-Strahlung aus einer HHG-Quelle beleuchtet wird, wobei die sSNSPD besonders vorteilhaft in ID- oder 2D-Pixel- Arrays angeordnet sind, um biologische Probe zu untersuchen.

Um dabei die Ortsauflösung im Sub-pm-Bereich zu gewährleisten, wird das biologische Material mit elektromagnetischer Strahlung Wellenlängen zwischen 0,1 und 121 nm bestrahlt. Um eine Schädigung des biologischen Materials zu verhindern, wird die Bestrahlung des biologischen Materials mit geringen Photonenflüssen durchgeführt.

Um die Ortsauflösung bei der Detektion der transmittierten Einzelphotonen zu gewährleisten, wird mindestens ein gerader Nanodraht, besonders vorteilhaft jedoch eine Matrix aus mehreren geraden, langgestreckt parallel zueinander verlaufenden Nanodrähten als ultraschneller Einzelphotonendetektor (sSNSPD) verwendet.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die sSNSPD ‘s in ID-Pixel- Arrays mit m=l, .... M Pixeln von sSNSPD’ s oder als ID-Pixel- Arrays mit MxN Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird, ausgebildet sind und der optimale Bedeckungsgrad der Pixel 50% beträgt.

Um das 3D-lmaging zu gewährleisten, wird die Geometrie des Einzelphotonendetektors so ausgelegt, dass er als ID-Pixel Detektor- Array und als 2D-Pixel-Detektor- Array aufgebaut werden kann.

Durch das pixelweise punktweise Aufzeichnen der Spannungsimpulse VI und V2 lässt sich wie bei einem Digitalfoto eine Abbildung der Probenoberfläche erzeugen, wobei die Ortsauflösung in der einen Richtung durch die Breite der Nanodrähte und in der Raumrichtung senkrecht dazu durch die Zeitauflösung bei der Messung der Spannungspulse V 1 und V2 am Ende der Nanodrähte limitiert ist.

Jeder einzelne Bildpunkt (Einzelphotonendetektion) steht dann für eine Ortsinformation eines Strukturelements innerhalb des zu untersuchenden biologischen Materials.

Zusätzlich kann ein Spiegel in den Fokusbereich vorgesehen sein und bewegt werden, um den Strahl in ein XUV-Spektrometer zu lenken. Das Signal des SNSPD wird mit einem Raumtemperaturverstärker (Mini- Circuits ZX60-33LN-S+) verstärkt und mit einem Oszilloskop gemessen.

Wenn der langgestreckte supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen- detektor (sSNSPD) bspw. mit der breitbandigen EUV-Strahlung bestrahlt wird, registriert der Detektor, bspw. bei 3,0 K und einem Bias- Strom von 62 pA, Einzelphotonenereignisse, welche in Form von Bildpunkten detektiert werden.

Die Amplitude der Spannungspilse von etwa 100 mV nach der Verstärkung für den Fall von EUV-Photonendetektion entspricht dabei der Impulshöhe für den Fall der Photonendetektion im sichtbaren Bereich, wobei die Amplitute der Spannungspulse selbst auch keine Energieauflösung der detektierten Einzelphotonen ermöglicht.

Die Abklingzeit für ein konkretes Beispiel beträgt etwa 4 ns und wird durch die kinetische Induktivität des Nanodrahtes bestimmt, welche etwa ~42 nH beträgt, wobei in diesem konkreten Beispiel die Vakuumpermeabilität p=0, die magnetische Eindringtiefe XNbN ~ 550 nm und die Gesamtlänge des Nanodrahtes 1 = 110 pm, die Breite w = 100 nm sowie die Dicke d = 10 nm betragen.

Es dauert im konkreten Beispiel für den Fall von EUV- Photonendetektion etwa 50 - 100 ns, bis das Ausgangssignal des Messsystems vollständig konvergiert. Es ist zu beachten, dass dies weder die Erholungszeit des sSNSPD ist noch die Detektionseffizienz oder die Dunkelzählrate des Systems beeinflusst.

Bei einem Bias-Strom von 62 pA liegt die Zählrate bei 940 Ereignissen pro Minute und damit weit unter der Wiederholrate der Quelle von 1 kHz, was sicherstellt, dass die Detektionsereignisse auf einzelne einfallende Photonen zurückzuführen sind.

Um zu beweisen, dass die detektierten Ereignisse tatsächlich durch EUV-Photonen verursacht werden, kann eine Kontroll- Messung mit ausgeschaltetem Infrarot-Antriebslaser durchgeführt werden, um zu zeigen, dass die Ereignisse weder Dunkelzählungen sind noch durch Restlicht in der Kammer verursacht werden.

In einer zweiten Kontroll- Messung kann die Gaszufuhr abgeschaltet werden, während die Laserstrahlung aufrechterhalten wird, um zu beweisen, dass die Ereignisse nicht durch Infrarot-Photonen ausgelöst werden, die möglicherweise den Aluminiumfilter durchdrungen haben.

Als zusätzliche Kontroll- Messung kann mit einer Photodiode, die die eingehenden IR-Pulse detektiert, die zeitliche Verzögerung zwischen dem eintreffenden Laserpuls und einem detektierten Ereignis bestimmt werden.

Für Abbildungszwecke mit laserbasierten hochharmonischen Lichtquellen in der kohärenten Bildgebung, der EUV-Quantenoptik und der Quantenbildgebung ist eine gepixelte Anordnung mit mehreren kryogenen langgestreckten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen- detektoren (sSNSPD’s) mit gerade ausgerichteten, supraleitenden Nanodrähten erforderlich, um biologische Strukturen sichtbar zu machen. Oder es muss alternativ dazu durch die Messung der Position des Ereignisses auf dem gerade ausgerichteten, supraleitenden Nanodraht durch die Auswertung der Verzögerung zwischen den Signalen an den beiden Enden die Erzeugung eines Bildpunktes generiert werden.

Die lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle im extrem ultravioletten Bereich (EUV) und im weichen Röntgenbereich (SXR), die auf der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) basiert, ermöglicht eine nanoskopische Bildgebung mit einzigartigem markierungsfreiem Elementarkontrast und die bereit gestellte Detektoranordnung sowie das mit dieser durchzuführende Detektionsverfahren ermöglichen diese einzigartigen Eigenschaften dieser neuen Quellen voll auszunutzen.

Durch die bereitgestellten langgestreckten supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektoren (sSNSPD) wird die Detektion und Zählung einzelner Photonen ermöglicht, wobei diese Detektoren keinen Dunkelstrom detektieren sowie sehr hohe Zählraten und somit hohe Auslesegeschwindigkeiten (ereignisbasiert nach jedem Laserpuls) ermöglichen, was eine perfekte Ergänzung für HHG-Quellen mit hoher Repetitionsrate darstellt und einen hohen SNR ermöglicht, der nur durch das Photonen-Schrotauschen begrenzt ist.

Zusätzlich zu den Vorteilen von sSNSPDs für klassische Bildgebungs- an Wendungen mit lasergetriebenen EUV-Quellen ebnet die Fähigkeit der sSNSPD, einzelne Photonen zu detektieren und zu zählen, den Weg für vielversprechende Anwendungen in der Quantenoptik und Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung, wie z.B. Quanten- Ghost-Imaging mit nanoskaliger Auflösung. Die Empfindlichkeit eines EUV-Detektors für linsenlose Abbildungsmethoden ist dabei sehr hoch, wobei die Auflösung direkt mit der Anzahl der detektierten Photonen, d.h. dem Signal-Rausch- Verhältnis (SNR), skaliert und ein hohes SNR in der Regel durch einen hohen Photonenfluss, eine hohe Quanteneffizienz und lange Belichtungszeiten, über die der Photonenfluss integriert wird, erreicht wird.

Andererseits ist es von Vorteil, den Photoneneinfallsfluss auf die Probe zu begrenzen. Schließlich handelt es sich bei EUV- und SXR-Licht um ionisierende Strahlung, die Schäden hervorruft

Der Einsatz von EUV-Strahlung und sSNSPDs hat zwei wesentliche Vorteile:

Zum einen liegt die Erholungszeit im Bereich von wenigen Nanosekunden oder sogar Pikosekunden, so dass sogar sSNSPD- Zählraten von bis zu mehreren GHz erreicht werden, wobei die sSNSPDs perfekt zu den Wiederholraten moderner Hochfluss-HHG- Quellen passen, welche mit einer Wiederholrate von mehreren 100 kHz betrieben werden.

Zum anderen weisen sSNSPDs eine außerordentlich niedrige Dunkelzählrate auf, was eine Detektion mit hohem SNR ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 : eine schematische Übersichtsdarstellung einer Ausführungsform einer Anordnung,

Fig. 2: eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotonens gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotonens unter Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines 1D- Pixel- Arrays,

Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines 2D- Pixel- Arrays,

Fig.öa: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Rotation eines biologischen Objekts mit X kleiner als das Objekt,

Fig.öb: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Rotation eines biologischen Objekts mit X größer als das Objekt,

Fig. 7a: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Verschiebung eines biologischen Objekts mit X kleiner als das Objekt,

Fig.7b: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation durch die Verschiebung eines biologischen Objekts mit X größer als das Objekt,

Fig.8a: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Rotation des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X kleiner als das Objekt,

Fig.8b: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Rotation des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X größer als das Objekt,

Fig.9a: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X kleiner als das Objekt,

Fig.9b: eine schematische Darstellung zur Ortsinformation und spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objekts und Beleuchtung mit Photonen unterschiedlicher Wellenlängen mit X größer als das Objekt,

Fig.10: eine schematische Darstellung der Integration von integrierten Strukturen aus ID-Pixel- Arrays gemäß Fig. 4, Fig.l k eine schematische Darstellung der Integration von integrierten Strukturen aus 2D-Pixel- Arrays gemäß Fig. 5,

Fig.12: eine schematische Darstellung zum labelfreien 3D-Imaging, zur Spektroskopie oder zur Polarisationsauflösung Verwendung von SNSPD mit einem dispersives Element und den Wellenlängen

Fig.13: eine schematische Darstellung der Bestimmung der Polarisation eines Einzelphotonens unter Verwendung von SNSPD mit einem Knickwinkel a von optimal 90° und

Fig. 14: eine Darstellung des zeitabhängigen Analogsignals eines sSNSPD‘s bei Bestrahlung mit drei verschiedenen Wellenlängen i =810 nm > X ₂ =520 nm > X ₃ =385 nm.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfasst:

- eine lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle in Form eines ultrakurzen Hochleistungslasers für die Erzeugung hoher Oberwellen (HHG) in einer Gasumgebung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 124 nm, wobei Laserstrahlung eines optischen parametrischen Verstärkers -OPA- (1) in einem Argon-Gasstrahl (2) fokussiert und durch dünne eine Metallfolie (3) (bspw. Aluminiumfilterfolie) verläuft,

- einen Toroidspiegel (4), welcher die HHG- Strahlung (5) auf einen Zwischenfokus (51) fokussiert und von dem diese dann zum Einzelphotonendetektor SNSPD (6) gelangt,

- eine Probenaufnahme (7) zum ortsgenauem Positionieren einer zu untersuchenden biologischen Probe (71) im Zwischenfokus (51),

- zumindest ein gerader supraleitender Nanodraht (8), welcher auf einen Träger aufgebracht ist (bspw. durch Sputtern), wobei der Nanodraht (8) bspw. eine Niobnitrid-Schicht (NbN-Schicht) ist, welche auf den Träger aus Saphirsubstrat aufgesputtert ist und den Einzelphotonendetektor in Form des SSNSPD (6) ausbildet, wobei dieser Nanodraht (8) vorteilhaft in einen koplanaren Wellenleiter eingebettet ist, der mit einem Bias-Tee verbunden ist, das die Biasund Ausleseleitungen trennt,

- einen Kryokühler (9) mit geschlossenem Kreislauf zum Kühlen des linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodrahts (8) im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K, wobei Ultrahochvakuumbedingungen an der Position des kryogenen SNSPD‘s bestehen, um das Einfrieren des Nanodrahts zu verhindern,

- eine Stromquelle für das Anlegen des Bias- Stroms an den linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitende Nanodraht (8) und

- einen Ausleseverstärker (10) mit Aus Werteeinheit (11) zum Messen des Spannungsimpulses, welcher in Folge des Auftreffens eines Photons auf dem linear, gerade langestreckt verlaufenden, supraleitenden Nanodraht (8) (durch Reduktion des lokalen kritischen Stroms unter den Strom des Bias- Stroms, was zur Bildung eines lokalisierten nicht-supraleitenden Bereichs mit begrenztem elektrischem Widerstand führt, der größer als die Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers (10) ist, so dass der größte Teil des Bias- Stroms zum Ausleseverstärkers (10) abgeleitet wird, was zu dem messbaren Spannungsimpuls führt) entsteht.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotons gemäß dem Stand der Technik vermittels eines supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor mit einen mäandrierten Nanodraht aus supraleitendem Material (= Supraleiter). Man sieht dabei die Bestimmung des Auftreffpunktes x des Einzelphotons an dem mäandrierten Einzelphotonendetektor.

Die Bestimmung des Auftreffpunktes des Einzelphotons erfolgt dabei über Messung des Laufzeitunterschiedes im Signal VI (Kontaktpunkt 1) und Signal V2 (Kontaktpunkt 2) wobei gilt:

Länge in x-Richtung L=n _M ^:; 72 ^:;: l+S|+s ₂ mit Si, s ₂ : Länge der Zuleitungen im Mikrowellenleiter und v: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Einzelphotonen im Einzelphotonendetektor wobei gilt: x=L*tl/(t2+tl ) und dy=IO pm sowie dx=IO pm und x mit Genauigkeit dx~l sowie y mit Genauigkeit dy~H.

Der erste Nachteil dieser technischen Lösung besteht in der geringen Ortsauflösung in der Detektionsebene entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung, was zu einer geringen Ortsauflösung des Auftreffpunktes des Einzelphotonens führt. Der zweite Nachteil besteht in der geringen Integrierbarkeit der mäandrierten Struktur.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Bestimmung des Auftreffpunktes eines Einzelphotonens unter Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 1 mit einem gerade verlaufenden, supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor [sSNSPD (straight SNSPD, sSNSPD)].

Man sieht dabei die Bestimmung des Auftreffpunktes x des Einzelphotons an einem geraden Einzelphotonendetektor (straight SNSPD, sSNSPD) mittels der Messung des Laufzeitunterschiedes (At=t ₂ -t|) im Signal VI (Kontaktpunkt 1) und Signal V2 (Kontaktpunkt 2), wobei die Ausdehnung des Auftreffpunktes 0~ Wellenlänge des Einzelphotons entspricht, wobei folgendes gilt: s , s ₂ : Länge der Zuleitungen im Mikrowellenleiter v: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Einzelphotonen im Einzelphotonendetektor wobei: t =x/v, t = (L-x)/v und x=L t /(t 4-t ) sowie dy<100 nm und dx~Wellenlänge sowie x mit Genauigkeit dx~0~Wellenlänge des Photons und y mit Genauigkeit dy~H der Breite des Nanodrahtes.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird dabei durch den Einsatz des Trägers (Erhöhung der Leitungskapazität CK des Nanodrahtes) und die Verringerung des Querschnitts des Nanodrahtes (Erhöhung der kinetischen Induktivität LK) verringert.

Die Vorteile dieser technischen Lösung bestehen in der hohen Ortsauflösung in der Detektionsebene sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtungund der damit bestehenden hohen Ortsauflösung des Auftreffpunktes der Einzelphotonen sowie in der hohen Integrierbarkeit. Fig. 4 zeigt die Ausführung als ID-Pixel- Array mit m=l ,..,M Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird und der optimale Bedeckungsgrad 50% beträgt.

Fig. 5 zeigt die Ausführung als 2D-Pixel-Array mit MxN Pixeln, wobei jedes Pixel von einem sSNSPD gebildet wird und der optimale Bedeckungsgrad der M Pixel: 50%, optimaler Bedeckungsgrad der N Pixel: 50% beträgt.

Die Fig. 6a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch die Rotation des biologischen Objektes, wobei X ist kleiner als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in einem Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen einer Wellenlänge X erfolgt, welche kleiner als das Objekt ist.

Die Fig. 6b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch Rotation des biologischen Objektes, wobei X größer ist als das Objekt. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in einem Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen einer Wellenlänge X erfolgt, welche größer als das Objekt ist.

Fig. 7a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch Verschiebung des Objektes, wobei X kleiner ist als das Obbjekt. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in einem Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z-Verschiebungsachse, y- Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen einer Wellenlänge X erfolgt, welche kleiner als das Objekt ist. Fig. 7b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation durch Verschiebung des Objektes, wobei X größer ist als das Objekt. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in einen Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z-Verschiebungsachse, y- Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor), wobei die monochromatische Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge X erfolgt, welche größer als das Objekt ist.

Fig. 8a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Rotation des Objektes und Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X kleiner als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das biologische Objekt, welches in Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket-Detektor).

Dies erfolgt bei einer normalen Dispersion dn/dX<0 mit n ₂ (X _i )>n ₂ (X.)>n ₂ (X _N ) und n <n wobei: die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge durchgeführt wird.

Fig.8b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Rotation des Objektes und Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X größer als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in Zylinder eingebettet ist (z-Rotationsachse, z-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket- Detektor), wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge X < X ,...X,...X <X erfolgt.

Fig. 9a zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objektes und bei Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X kleiner als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in einem Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z- Verschiebungsachse, y- Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket- Detektor).

Dies erfolgt bei normaler Dispersion dn/dX<0 mit n ( )>n ( )>n ( ) und n <n , wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge erfolgt.

Fig. 9b zeigt die Gewinnung der Ortsinformation und der spektralen Information durch Verschiebung des biologischen Objektes und Beleuchtung mit Photonen verschiedener Wellenlänge, wobei X größer als das Objekt ist. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, welches in einem Quader eingebettet ist (x-Verschiebungsachse, z- Verschiebungsachse, y-Verschiebungsachse) auf den sSNSPD (Bucket- Detektor), wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge X <X ,...X,...X <X erfolgt.

In der Fig 10 ist die Integration einer Vielzahl von Anordnung der 1D- Pixel-Arrays mit M Pixeln in eine sSNSPD-Struktur bestehend aus AxB ID-Pixel- Arrays IDPA (i,j), i= l ... A und j= l ...B dargestellt.

In der Fig. 11 ist die Integration einer Vielzahl von Anordnung der 2D- Pixel-Arrays mit mit MxN Pixeln mit sSNSPD-Struktur bestehend aus AxB 2D-Pixel- Arrays [2DPA (i,j), i= l ... A und j = 1 ...B]

Fig. 12 zeigt den Einsatz eines dispersiven Elementes, z.B. Fresnelzonenplatte, zum labelfreien 3D-Imaging, zur Spektroskopie und zur Polarisationsauflösung. Dabei führt der Strahlengang entlang der optischen Achse ausgehend von der EUV/XUV-Quelle durch das Objekt, eine dispersives Element auf den sSNSPD (Bucket-Detektor) wobei die Beleuchtung mit Photonen der Wellenlänge

<X erfolgt. Fig. 13 zeigt die Detektion der Polarisation des Einzelphotons mittels sSNSPD mit mindestens einem Knick und einem Knickwinkel oc von optimal oc=90°

Die Lasergesteuerte und/oder -getriebene Lichtquelle im extrem ultravioletten Bereich (EUV) und im weichen Röntgenbereich (SXR) mit Erzeugung hoher Harmonischer (HHG), ermöglicht eine nanoskopische Bildgebung mit einzigartigem markierungsfreiem Elementarkontrast und eine bereit gestellte Detektoranordnung.

Durch die bereitgestellten supraleitenden Nanodraht- Einzelphotonendetektoren (SNSPD) wird die Detektion und Zählung einzelner Photonen ermöglicht, wobei diese Detektoren dark-count-frei sind sowie sehr hohe Zählraten und somit hohe Auslesegeschwindigkeiten (ereignisbasiert nach jedem Laserpuls) ermöglichen, was eine perfekte Ergänzung für HHG-Quellen mit hoher Repetitionsrate darstellt und einen hohen SNR ermöglicht, der nur durch das Photonen-Schrotrauschen begrenzt ist.

Zusätzlich zu den Vorteilen von SNSPDs für klassische Bildgebungsan Wendungen mit lasergetriebenen EUV-Quellen ebnet die Fähigkeit der bereitgestellten Anordnung, einzelne Photonen zu detektieren und zu zählen, den Weg für vielversprechende Anwendungen in der Quantenoptik und Quantenbildgebung mit hochenergetischer Strahlung, wie z.B. Quanten-Ghost-Imaging mit nanoskaliger Auflösung.

Von Vorteil ist hierbei, dass die Empfindlichkeit des EUV-Detektors für linsenlose Abbildungsmethoden sehr hoch ist, wobei die Auflösung direkt mit der Anzahl der detektierten Photonen, d.h. dem Signal- Rausch- Verhältnis (SNR), skaliert und ein hohes SNR in der Regel durch einen hohen Photonenfluss, eine hohe Quanteneffizienz und lange Belichtungszeiten, über die der Photonenfluss integriert wird, erreicht wird.

Des Weiteren ist es von Vorteil, dass die Erholungszeit der Anordnung im Bereich von wenigen Nanosekunden oder sogar Pikosekunden liegt, so dass sogar SNSPD- Zählraten von bis zu mehreren GHz erreicht werden, wobei die SNSPDs perfekt zu den Wiederholraten moderner Hochfluss-HHG-Quellen passen, welche mit einer Wiederholrate von mehreren 100 kHz betrieben werden, und die SNSPDs dabei eine außerordentlich niedrige Dunkelzählrate aufweisen, was eine untergrundfreie Detektion ermöglicht.

Fig. 14 zeigt beispielhaft ein zeitabhängiges Analogsignal eines sSNSPD im Maximum im Zeitbereich von 0 bis 110 ns (Fig. 14a) und von 14 bis 30 ns (Fig. 14b) sowie im Minimum im Zeitbereich von 0 bis 110 ns (Fig. 14c) und von 37 bis 84 ns. Von Vorteil ist, dass sowohl der Wert des Analogsignals im Maximum (Fig. 14b) als auch der Wert des Analogsignals im Minimum (Fig. 14d) systematisch von der Wellenlänge abhängen. Der Wert des Analogsignals im Maximum (Fig. 14b) steigt mit zunehmender Wellenlänge. Der Wert des Analogsignals im Minimum (Fig. 14d) wird kleiner mit zunehmender Wellenlänge.

Aus einer Analyse des zeitabhängigen Analogsignal für einen sSNSPD werden die Parameter

- Kinetische Induktivität des sSNSPD, die nur vom Material und von der Geometrie des sSNSPD abhängt, und von der Abhängigkeit des Analogsignals von dem Bias-Strom, z.B. wenn der Bias-Strom 80%, 85%, 90% oder 92,5% des kritischen Stromes beträgt, bestimmt wird.

- Thermische Kapazität des sSNSPD, die nur vom Material und von der Geometrie des sSNSPDs abhängt, und aus der Abhängigkeit des Analogsignals von dem Vorspannungsstrom, z.B. wenn der Vorspannungsstrom 80%, 85%, 90% oder 92,5% des kritischen Stromes beträgt, bestimmt wird.

- Widerstand des sSNSPD zum Zeitpunkt, wenn die Temperatur im Hot spot des sSNSPD nach Absorption eines Einzelphotons der Wellenlänge X ihr Maximum durchläuft. Der Widerstand im Maximum des Analogsignals hängt von der Wellenlänge des Einzelphotons ab.

Von Vorteil ist hierbei, dass die kinetische Induktivität, die thermische Kapazität und der wellenlängenabhängige Widerstand im Maximum des Analogsignals in einer Kalibrationsmessung bestimmt werden können und dass eine Analyse des Analogsignals eine spektrale Information über die Wellenlänge des absorbierten Einzelphotons liefert.

1 - optischer parametrischer Verstärker (OPA)

2 - Argon-Gasstrahl

3 - Metallfolie

4 - Toroidspiegel

5 - Elektronenstrahlung

51 - Zwischenfokus

6 - Einzelphotonendetektor in Form eines SNSPD

= supraleitende Nanodraht-Einzelphotonen- detektor

7 - Probenaufnahme

8 - Nanodraht

9 - Kryokühler

10 - Ausleseverstärker

11 - Auswerteeinheit

VI, V2 - Spannungspulse an den beiden Enden des sSNSPD sSNSPD - straight superconducting single nanowire photodetector

(gerader, langgestreckter supraleitender

Nanodraht-Einzelphotonendetektor)