Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

194 S.W. Hell
ξ =6,25 × 10 4 , sodass man bereits mit geringeren quasikontinuierlichen Leistungen
brauchbare Signale erzielen kann.
Es lohnt sich, die Intensität wieder auf die räumlich gemittelte fokussierte
Leistung umzurechnen:
k2 =
ξσ2P 2 ave
(�ω(π∆r) 2 PavePpeakσ2
=
) 2 (�ω(π∆r) 2 )
2 . (9.10)
Die Formulierung auf der rechten Seite von (9.10) hat den Vorteil, dass sie
leicht zu merken ist; die Fluoreszenzausbeute in der Zweiphotonenmikroskopie
ist proportional zum Produkt aus Puls- und quasikontinuierlicher Leistung.
Der Vorteil des gepulsten Lichts in Bezug auf die Ausbeute lässt sich anhand
eines trivialen Beispiels festmachen: 5 mW des Titan-Saphir-Strahls ist
genauso effizient wie 250 × 5mW=1, 25W an kontinuierlichen Licht.
Es lohnt sich jetzt, eine quasikontinuierliche Leistung abzuschätzen, bei
der Sättigung eintreten muss. Der direkte Vergleich von (9.8) und (9.9) zeigt,
dass die mittlere Sättigungsintensität im gepulsten Fall um den Faktor √ ξ
geringer ist als bei kontinuierlicher Einstrahlung. Für die Leistungsdaten des
Titan-Saphir-Lasers erhält man √ ξ = 250. Vorsicht ist allerdings angebracht,
wenn man mit Lichtleistungen in der Nähe der Sättigung arbeitet. Für das
Beispiel von Rhodamin B würde man danach mit Hilfe eines Titan-Saphir-
Lasers bei einer quasikontinuierlichen Leistung von Pave ≤ 5W/250 = 20 mW
die Sättigung erreichen. In Wirklichkeit führen gepulste Laser schon früher zu
Sättigungseffekten, weil der Farbstoff innerhalb der kurzen Pulsdauer nicht in
den Grundzustand zurückkehren kann. Die genaue Beschreibung des Verhaltens
des Farbstoffmoleküls bedarf der Beschreibung durch das Differentialgleichungssystem;
trotzdem lassen sich (9.9) und (9.10) gut für die Effizienz
der Zweiphotonenanregung bei einer bestimmten Apertur und Lichtleistung
verwenden.
Die quantenmechanischen Auswahlregeln für Ein- und Zweiphotonenabsorption
sind verschieden. Für isolierte Atome gilt sogar, dass sich Ein- und
Zweiphotonenübergänge zwischen denselben Zuständen einander ausschliessen.
Für die ziemlich komplexen Farbstoffmoleküle ist dies nicht pauschal
übertragbar, vermutlich weil die komplizierten Schwingungszustände des S0
und insbesondere des S1 und die damit verbundene Aufhebung von Molekülsymmetrien
Anregungswege offen lassen. Quantenmechanische Berechnungen
des Wirkungsquerschnitts der Zweiphotonenanregung (Störungstheorie
2. Ordnung) sind aufgrund der Komplexität nicht immer gangbar oder brauchbar,
sodass die zuverlässigsten Daten aus Messungen stammen. Während man
σ1 sehr gut aus Absorptionsmessungen des eingestrahlten Lichts (Lambert-
Beer-Gesetz) bestimmen kann, stellt die direkte Messung von σ2 aufgrund der
geringen direkten Absorption eine Herausforderung dar. Brauchbare Ergebnisse
erzielt man, wenn man σ2 aus Zweiphotonenfluoreszenzanregungen bestimmen
kann, was allerdings die Kenntnis der Quantenausbeute η voraussetzt.