Abstract

We present a Kerr-gated microscope capable of collecting diffraction-limited 2D fluorescence images with sub-100fs time resolution. The concept is based on the insertion of a solid-state optical Kerr gate into a wide-field microscope. In addition to the considerably improved temporal resolution, the wide-field design allows for simultaneous tracking of several objects and ultrafast fluorescence lifetime imaging of doped and heterogeneous surfaces. The ultrafast fluorescence dynamics of gold nanoparticles is presented as an example of the capabilities of the instrument.

© 2008 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. W. E. Moerner and L. Kador, Phys. Rev. Lett. 62, 2535 (1989).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 106, 910 (2002).
    [CrossRef]
  4. A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
    [CrossRef]
  5. M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
    [CrossRef]
  6. E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. S. Arzhantsev and M. Maroncelli, Appl. Spectrosc. 59, 206 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
    [CrossRef]
  9. E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
    [CrossRef]
  10. J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
    [CrossRef]

2005

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

S. Arzhantsev and M. Maroncelli, Appl. Spectrosc. 59, 206 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

2004

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

2002

W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 106, 910 (2002).
[CrossRef]

2000

J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
[CrossRef]

M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
[CrossRef]

1997

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

1989

W. E. Moerner and L. Kador, Phys. Rev. Lett. 62, 2535 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Abraham, E.

J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
[CrossRef]

Arzhantsev, S.

Bachelot, R.

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

Bouhelier, A.

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

Brakenhoff, G. J.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Buist, A. H.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Caruso, F.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Crego-Calama, M.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Cubitt, A. B.

R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Dickson, R. M.

R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Dulkeith, E.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Dyba, M.

M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
[CrossRef]

Feldmann, J.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Garca-Paraj, M. F.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

García-López, J.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Gijsbers, E. J.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Gittins, D. I.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Hell, S. W.

M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
[CrossRef]

Hernando, J.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Jakobs, S.

M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
[CrossRef]

Jonusauskas, G.

J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
[CrossRef]

Kador, L.

W. E. Moerner and L. Kador, Phys. Rev. Lett. 62, 2535 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Klar, T. A.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
[CrossRef]

Kostcheev, S.

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

Kuipers, L.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Lerondel, G.

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

Maroncelli, M.

Mayya, K. S.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Moerner, W. E.

W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 106, 910 (2002).
[CrossRef]

R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

W. E. Moerner and L. Kador, Phys. Rev. Lett. 62, 2535 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Mueller, M.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Niedereichholz, T.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Norris, T. B.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Oberle, J.

J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
[CrossRef]

Reinhoudt, D. N.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Royer, P.

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

Rulliere, C.

J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
[CrossRef]

Sosnowski, T. S.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Squier, J.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

Tsien, R. Y.

R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

van Dijk, E. M. H. P.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

van Hulst, N. F.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

von Plessen, G.

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Wiederrecht, G. P.

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

M. Dyba, T. A. Klar, S. Jakobs, and S. W. Hell, Appl. Phys. Lett. 77, 597 (2000).
[CrossRef]

Appl. Spectrosc.

J. Microsc.

A. H. Buist, M. Mueller, E. J. Gijsbers, G. J. Brakenhoff, T. S. Sosnowski, T. B. Norris, and J. Squier, J. Microsc. 186, 212 (1997).
[CrossRef]

J. Phys. Chem. B

W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 106, 910 (2002).
[CrossRef]

J. Raman Spectrosc.

J. Oberle, E. Abraham, G. Jonusauskas, and C. Rulliere, J. Raman Spectrosc. 31, 311 (2000).
[CrossRef]

Nature

R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature 388, 355 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. B

E. Dulkeith, T. Niedereichholz, T. A. Klar, J. Feldmann, G. von Plessen, D. I. Gittins, K. S. Mayya, and F. Caruso, Phys. Rev. B 70, 205424 (2004).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

E. M. H. P. van Dijk, J. Hernando, J. García-López, M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt, L. Kuipers, M. F. Garca-Paraj, and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 94, 078302 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

A. Bouhelier, R. Bachelot, G. Lerondel, S. Kostcheev, P. Royer, and G. P. Wiederrecht, Phys. Rev. Lett. 95, 267405 (2005).
[CrossRef]

W. E. Moerner and L. Kador, Phys. Rev. Lett. 62, 2535 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Setup for the Kerr-gated fluorescence microscope. S, sample; CO 1 3 , Cassegrain objectives; P 1 2 , polarizer; K, Kerr medium; D, delay line; F, BG, spectral filter; WP, waveplate; PR, prism.

Fig. 2
Fig. 2

Absorption (left) and emission spectra (right) of 25 nm gold nanoparticles (Nanocs Inc.).

Fig. 3
Fig. 3

(a) Time-resolved emission of 25 nm Au nanoparticles coated on a fused silica substrate ( τ em 60 fs ) . (b) Time-resolved emission image of a cluster of gold nanoparticles at t 0 . Darker colors indicate a higher signal.

Fig. 4
Fig. 4

Kerr-gated emission of DNS. Temporal evolution of the gated emission and monoexponential fit revealing a lifetime of 72 ps .

Metrics