Einführung in Zweite Harmonische Generation

Die Zweite Harmonische Generation (SHG) ist ein optisches Phänomen, das in der Physik und Biologie Anwendung findet. SHG tritt auf, wenn zwei Photonen mit gleicher Frequenz und gleicher Polarisation auf ein Nichtlinear dielektrisches Material treffen und ein neues Photon mit doppelter Frequenz erzeugen. Das bedeutet, dass das Material die Frequenz des einfallenden Lichts verdoppelt. SHG besteht aus einer Reihe von höheren Harmonischen, aber das zweite Harmonische hat aufgrund seiner hohen Intensität und seiner spezifischen Eigenschaften am meisten Anwendung gefunden.

Wie funktioniert SHG?

SHG findet in Materialien statt, die keine zentrosymmetrische Struktur aufweisen. Ein solches Material kann ein Kristall sein, aber auch biologische Moleküle und Gewebe, die asymmetrisch sind. Wenn ein Lichtstrahl auf ein solches Material fällt, interagiert es mit den elektrischen Dipolmomenten, die durch die asymmetrische Struktur erzeugt werden. Die elektrischen Felder der Photonen interagieren mit den elektrischen Dipolen und bringen diese zum Schwingen, was zur Erzeugung des zweiten Harmonischen führt.

Anwendungen und Vorteile von SHG

SHG findet in vielen Bereichen Anwendung, wie zum Beispiel in der Materialforschung, Biologie und Medizin. Durch die Verwendung von SHG können Strukturen mit hoher Auflösung sichtbar gemacht werden, wie zum Beispiel Kollagenfasern in biologischen Geweben. Die hohe Intensität des zweiten Harmonischen ermöglicht es auch, Materialien zu untersuchen, die schwache Signale erzeugen, wie zum Beispiel Nanopartikel.

Ein weiterer Vorteil von SHG liegt in seiner Nichtinvasivität. Da das Verfahren auf der Verwendung von Licht basiert, ist es nicht erforderlich, das zu untersuchende Material zu manipulieren oder zu zerstören. Dies ist besonders wichtig in der biologischen Forschung, wo es darum geht, Materialien und Strukturen in ihrer natürlichen Umgebung zu analysieren.

Beispiel: Verwendung von SHG in der Biologie

SHG wird in der Biologie und Medizin verwendet, um verschiedene Gewebe und Zellstrukturen im Körper zu untersuchen. Zum Beispiel kann das Verfahren verwendet werden, um die Kollagenstruktur in der Haut zu visualisieren, was bei der Diagnose von Hautkrankheiten wie Krebs hilfreich sein kann. In der Neurobiologie kann SHG verwendet werden, um die Struktur von Nervenzellen und Synapsen zu untersuchen.

Ein weiteres Beispiel für die Verwendung von SHG in der Biologie ist die Analyse von Muskelfasern. Muskelzellen bestehen aus vielen parallel angeordneten kleineren Zellen, die Sarkomere genannt werden. Diese Sarkomere bestehen aus Kollagenfasern und Myosinfilamenten, die für die Muskelkontraktion verantwortlich sind. Mit SHG können Forscher diese Strukturen visualisieren und analysieren, um das Verhalten von Muskeln besser zu verstehen.