TU Darmstadt / ULB / TUprints

Neue Varianten nichtlinear optischer Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung

Stock, Christian :
Neue Varianten nichtlinear optischer Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

[img]
Preview
Text
Dissertation_stock_v2.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (31MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Neue Varianten nichtlinear optischer Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung
Language: German
Abstract:

Die kohärente nichtlineare Mikroskopie (engl.: coherent nonlinear microscopy, CNM) hat in den vergangenen 20 Jahren eine Vielfalt von Anwendungen in Forschungsgebieten wie der Physik, der Biologie, der Chemie oder auch den Materialwissenschaften ermöglicht. Sie nutzt Prozesse zur Frequenzkonversion in fokussierten ultrakurzen Laserpulsen um dreidimensionale Bilder von vollständig transparenten Proben zu erzeugen, ohne sie durch Einfärben oder Markieren zu verändern. Ein Beispiel für solche Prozesse ist die Frequenzverdreifachung (engl.: third harmonic generation, THG). Sie ermöglicht die Untersuchung transparenter Proben jeglicher Symmetrie und benötigt nur die Laserstrahlung einer einzigen Wellenlänge zur Frequenzkonversion. Die Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung (engl. "`third harmonic generation microscopy"', THM) nutzt üblicherweise erzeugende Laserstrahlung in einem Spektralbereich fernab von Resonanzen der untersuchten Medien. Dies führt häufig dazu, dass die Konversionseffizienzen und der Kontrast limitiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden, basierend auf der Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung (engl. third harmonic generation microscopy, THM), neue Varianten entwickelt, deren Ziele die Erhöhung der Leistung der dritten Harmonischen (TH-Leistung) und die Verbesserung des Kontrastes in der Bildgebung sind. Darüber hinaus sollten die Proben möglichst wenig durch hohe Laser-Intensitäten und Absorption belastet werden. Die Arbeit gliedert sich in zwei Kapitel, in denen zwei aussichtsreiche neue Varianten der THM vorgestellt und untersucht werden. Im ersten Kapitel wurde das Konzept der "`Dispersions-optimierten Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung"' (DOTHM) vorgestellt und untersucht. Hierbei wird durch die Wahl der Fundamentalwellenlänge die Phasenanpassung variiert und damit die erzeugte TH-Leistung an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien moduliert. Bei Experimenten im spektralen Bereich von 1010 nm bis 1340 nm an einer UK5 Glas-Wasser-Grenzfläche konnte eine Erhöhung der TH-Leistung um den Faktor 19 beobachtet werden, obwohl die Brechungsindizes dabei nur um weniger als 1 % variieren. An einer Quarzglas-Wasser-Grenzfläche brach die TH-Leistung im selben Spektralbereich auf 1/7 ein. Eine Simulation der TH-Leistung an einer Grenzfläche mit konstanten Suszeptibilitätsverhältnissen der beteiligten Medien führt zu Ergebnissen, welche sehr gut mit den Messergebnissen übereinstimmen. Sollte eine der Suszeptibilitäten sich im betrachteten spektralen Bereich signifikant ändern, muss dieses jedoch mit berücksichtigt werden. Die Erkenntnisse über das Verhalten der TH-Leistung an Grenzflächen der untersuchten Medien unter dem Einfluss der Dispersion wurden darauf in der Bildgebung genutzt. Dabei wurde der Kontrast einer TH-Mikroskopie Aufnahme von 1,2:1 auf 10:1 verbessert. Die Ergebnisse dieses Kapitels sind bis zur Fokussierung mit einer numerischen Apertur von maximal 0,4 gültig. Sie können beispielsweise bei der Suche des optimalen Lasersystems für ein neues Mikroskop oder bei der Wahl einer geeigneten Glassorte für einen Objektträger für größtmöglichen Kontrast helfen. Das Konzept der "`Optisch stimulierten Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung"' (OSTHM) wird im zweiten Kapitel vorgestellt und untersucht. Dabei wird zusätzlich zur Fundamentalen eine stimulierende Strahlung der dritten Harmonischen genutzt und beide im Fokus überlagert. Das Resultat ist eine Verstärkung oder Abschwächung der TH-Leistung, abhängig von der relativen Phase beider Felder zueinander. Die Modulation durch optische Stimulation ist besonders groß für kleine nichtlineare Suszeptibilitäten, eine große Phasenfehlanpassung, niedrige Fundamentalleistungen und hohe stimulierende TH-Leistungen. Während der Untersuchungen wurden Verstärkungen bis zu 3000 erreicht. Dabei war das Verhältnis von fundamentaler Leistung zu stimulierender Leistung mit 2000:1 weit entfernt vom Optimum bei 3:1. Dies zeigt, dass auch schon ein verhältnismäßig schwaches stimulierendes Feld eine große Verstärkung ermöglicht. Die Abhängigkeiten von den Leistungen der genutzten Strahlungen können durch ein einfaches Modell auf der Grundlage ebener Wellen vorhergesagt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die optische Stimulation im Falle schwacher Fokussierung und ultrakurzer Pulsdauer zu einer Verbesserung der longitudinalen Auflösung führt. Im konkreten Experiment wurde die gute zeitliche Auflösung der Laser-Pulse durch Dispersion in eine örtliche Auflösung transformiert, welche um eine Größenordnung besser ist, als die der THM ohne optische Stimulation. Während der Untersuchung des Einflusses der Dispersion auf die optische Stimulation wurde ein phasenunabhängiges Signal entdeckt, welches ebenfalls hohe Verstärkungen (100000) ermöglicht, aber bisher nur durch ein phänomenologisches Modell beschrieben werden kann. Das Konzept ist in der Lage die Konversionseffzienz in der THM um mehr als 3 Größenordnungen zu verstärken und damit sowohl den Kontrast zu verbessern, als auch die Belastung von sensitiven Medien niedriger nichtlinearer Suszeptibilität durch Absorption zu reduzieren. Die beiden in dieser Arbeit untersuchten Konzepte unterscheiden sich grundlegend. Während die DOTHM materialspezifisch THG verstärkt oder abschwächt, ist die Modulation durch OSTHM weitgehend materialunabhängig. Die OSTHM benötigt zwei fest-frequente Laserfelder, die in der Probe interferometrisch stabil überlagert werden müssen. In der DOTHM dagegen wird nur ein Laser benötigt. Der experimentelle Aufbau ist demnach wesentlich einfacher. Möchte man DOTHM jedoch flexibel einsetzen, ist eine Strahlquelle mit variabler Zentralwellenlänge vorteilhaft. Beide Konzepte zeigen jedoch Möglichkeiten die Dispersion zum Vorteil in der THM zu nutzen. Primär ermöglichen es beide Konzepte die Konversionseffizienz und den Kontrast besonders in Situationen mit schwachen Signalen um Größenordnungen zu verbessern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the past two decades coherent nonlinear microscopy (CNM) developed into a powerful and broadly applied tool for three-dimensional imaging of transparent samples without marking or staining. It enabled a variety of applications in research fields such as biology, chemistry or material sciences. CNM utilizes frequency conversion processes in strongly focused, ultrashort laser pulses. One example for CNM processes is third harmonic generation (THG). THG microscopy (THM) applies a single off-resonant laser beam to investigate samples containing media of arbitrary symmetry. However, working under far off-resonant excitation conditions also limits frequency conversion efficiency and contrast. This thesis deals with the development of two new variants based on THM. Our aim is to enhance the third harmonic power to improve contrast, while keeping absorption and the power of the driving laser low. The thesis is divided into two chapters, in which two promising new variants of THM will be presented and investigated. In the first chapter, we discussed the concept of dispersion-optimized third harmonic microscopy (DOTHM). The idea of DOTHM is to optimize the phase-matching conditions for harmonic generation by appropriately tuning the driving laser wavelength. Tuning the driving laser wavelength from 1010 nm to 1350 nm yields a THG signal enhancement at the glass-water interface by a factor of 19, while the refractive indices change only by less than 1 %. In the same spectral regime the THG emission at the fused silica-glass interface is reduced by a factor of 7. A simple theoretical calculation of the TH power at a surface, using a constant ratio of susceptibilities in the media, matches very well with the experimental data. If one of the susceptibilities change significantly in the considered spectral range, this must be taken into account. Finally, we applied the concept to improve the image contrast by a factor of 8 in a microscopic demonstration sample. The results of this chapter are valid until focusing with a numerical aperture of maximum 0,4. Our findings are relevant for a proper choice of a driving laser system for harmonic microscopy or for the selection of a suitable glass type for a slide for maximum contrast. The concept of optical stimulated third harmonic microscopy (OSTHM) applies a second stimulating beam in addition to the fundamental one. This beam can enhance or attenuate the THG-power depending on the relative phase of both fields to each other. The modulation by optical stimulation is particularly large for small nonlinear susceptibilities a large phase mismatch low fundamental power and high stimulating TH power. The maximum enhancement we could reach during a measurement in a fused silica sample was > 3000 compared to the spontaneous signal, although the ratio > 2000 was far from its optimum 3. This indicates that even a comparatively weak stimulatory field allows a large gain. The dependence on the power of both initial fields, simulated by a simple model based on plane waves, matches very well with the experimental data. Further, it was shown that optical stimulation in case of weak focusing and ultrashort pulses leads to an improvement in longitudinal resolution. We experimentally demonstrated that the good temporal resolution of the laser pulses can be transformed by dispersion into a spatial solution, which is one order of magnitude better than the THM without optical stimulation. During the examination of the dispersion's influence on the optical stimulation, we discovered a phase-independent signal. This signal also enables high amplifications (100000), but so far we can only describe it with a phenomenological model. The concept is able to enhance the conversion efficiency in THM by more than 3 orders of magnitude and thus both improve the contrast, and also reduce the destruction of sensitive media with low non-linear susceptibility by absorption. The two concepts examined in this thesis differ fundamentally. The variation of THG in DOTHM is dependent on the type of media in the sample, while the modulation by OSTHM is mostly material-independent. OSTHM requires two fixed-frequency laser fields, which must overlap interferometrically stable in the sample. In DOTHM, however, only one laser is needed. Therefore the experimental setup is much simpler. But if you want to apply DOTHM to many different samples, a beam source with variable central wavelength is useful. However, both THM concepts show possibilities to use dispersion to advantage. First of all, both concepts allow to improve the conversion efficiency and the contrast by orders of magnitude, especially in situations with weak signals.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Nonlinear Optics/Quantum Optics
Date Deposited: 11 Feb 2019 14:01
Last Modified: 11 Feb 2019 14:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84459
Referees: Halfmann, Prof. Dr. Thomas and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 21 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8445
Export:
Actions (login required)
View Item View Item