En kaskadeformet dobbelt deformerbar fasepladebølgefrontmodulator muliggør direkte AO-integration med eksisterende mikroskoper

Mikroskopi er arbejdshesten i moderne life science forskning, muliggør morfologisk og kemisk inspektion af levende væv med stadigt stigende rumlig og tidsmæssig opløsning. Selvom moderne mikroskoper er ægte ingeniørvidenskabelige vidundere, små afvigelser fra ideelle billeddannelsesforhold vil stadig føre til optiske aberrationer, der hurtigt forringer billedkvaliteten. Et misforhold mellem brydningsindeksene for prøven og dens nedsænkningsmedium, afvigelser i tykkelsen af ​​prøveholdere eller dækglas, virkningerne af aldring på instrumentet - sådanne afvigelser kan vise sig i form af sfærisk aberration og fokuseringsfejl. Også, især til dyb vævsbilleddannelse, et væsentligt værktøj i neurobiologisk forskning, et inhomogent brydningsindeks for prøven og dens komplekse overfladeform kan føre til yderligere højere ordens aberrationer.

Adaptiv optisk mikroskopi

Adaptiv optik (AO), en billedkorrektionsteknik, der først blev brugt i astronomiske teleskoper til at kompensere virkningerne af atmosfærisk turbulens, er den avancerede metode til dynamisk at korrigere for prøve- og systeminducerede aberrationer i et mikroskopisystem. Et typisk AO-system har en aktiv, formskiftende optisk element, der kan reproducere det omvendte af bølgefrontfejlen, der er til stede i systemet. Almindeligvis i form af enten et deformerbart spejl eller en flydende krystal rumlig lysmodulator, begrænsningerne af dette element definerer kvaliteten af ​​opnåelig aberrationskorrektion og dermed den udbredte anvendelighed af AO-mikroskopi.

Som rapporteret i Avanceret fotonik , forskere fra universitetet i Freiburg, Tyskland, har gjort et betydeligt fremskridt inden for AO-mikroskopi gennem demonstrationen af ​​et nyt AO-modul bestående af to deformerbare faseplader (DPP'er). I modsætning til deformerbare spejle, DPP-systemet er en bølgefrontmodulator, der fungerer i transmission, muliggør direkte AO-integration med eksisterende mikroskoper. I denne AO-konfiguration, svarende til hi-fi-højttalere med separate bas- og diskant-enheder, en af ​​de optiske modulatorer er optimeret til lav-rumlige frekvensaberrationer, mens den anden bruges til højfrekvent korrektion.

Kaskademodulering

En stor udfordring for et AO-system med flerfasemodulatorer er, hvordan man placerer dem på optisk ækvivalente (konjugerede) positioner, kræver ofte flere yderligere optiske komponenter for at videresende billedet, indtil det når detektoren. Derfor, at konfigurere selv to modulatorer i et AO-system er meget udfordrende. Da DPP'erne er <1 mm i tykkelse, kaskadering af to eller flere modulatorer inden for acceptabel nærhed bliver væsentligt mere praktisk. Freiburg-teamet udviklede også en ny metode til optimal styring af flere fasemodulatorer uanset deres individuelle specifikationer, potentielt muliggør cascading af mange flere enheder for øget rækkevidde og pålidelighed.

For at demonstrere sin ydeevne, holdet integrerede deres nye AO-system i et specialbygget fluorescensmikroskop, hvor prøveinducerede aberrationer estimeres iterativt uden en bølgefrontsensor. Billedeksperimenter på syntetiske prøver viste, at det nye AO-system ikke kun fordobler aberrationskorrektionsområdet, men forbedrer også i høj grad korrektionskvaliteten. Arbejdet viser, at mere avancerede aberrationskorrektionsordninger, såsom multi-konjugeret adaptiv optik, kan implementeres lige så nemt og med nye og mere avancerede styringsmetoder.