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MESSA A PUNTO DELLAPPARATO OTTICO DI UN SISTEMA COMPATTO PER MICROSCOPIA OTTICA A DUE FOTONI Elaborato di Laurea di ELENA UGOLOTTI Relatore: Prof. A. Tomaselli.

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1 MESSA A PUNTO DELLAPPARATO OTTICO DI UN SISTEMA COMPATTO PER MICROSCOPIA OTTICA A DUE FOTONI Elaborato di Laurea di ELENA UGOLOTTI Relatore: Prof. A. Tomaselli Correlatore: Prof C. Vacchi Università degli studi di Pavia

2 Scopo del progetto Sviluppare un sistema: Che sfrutti la microscopia a due fotoni Possibilità di osservare campioni biologici in vivo Risoluzioni submicrometriche Economico Compatto

3 Microscopia a due fotoni Due fotoni simultanei nellIR stimolano lo stesso salto energetico di un singolo fotone nellUV-VIS Vantaggi: Processo non lineare: Lintensità è concentrata solo nel punto da osservare Non si generano radicali liberi Maggior penetrazione nel campione

4 Schema del microscopio presente in laboratorio: Laser Specchi di deflessione Divisore di fascio Obiettivo Campione Fototubo f=30mm f=85mm f=35mm

5 Microscopio presente in laboratorio

6 Scopo del mio lavoro: Quando ho iniziato il lavoro, lo schema del microscopio era provvisorio in quanto non era mai stato fatto uno studio accurato e delle simulazioni del sistema ottico. Scopo del mio lavoro: studiare la configurazione ottica ottimale per il sistema, che sia un buon compromesso tra compattezza del dispositivo e risoluzione ottenibile.

7 Fasci gaussiani Parametri importanti: Raggio di curvatura complesso q(z): Distanza di Rayleigh: Raggio di curvatura: Raggio del fascio:

8 Metodo matriciale ABCD La propagazione dei fasci Gaussiani attraverso ottiche anche complesse può essere studiata tramite le matrici ABCD: Se ci sono più elementi ottici in cascata la matrice totale del sistema è il prodotto delle matrici dei singoli elementi. Con le matrici ABCD si ricava direttamente:

9 Analisi del sistema: Con il laser He-Ne si ha: λ = 632 nm w 0 = 0,4 mm f 1 = 35 mm, f 2 = 85 mm θ g = 0,08 rad z r = 79 cm w c = 1 μm La risoluzione che si ottiene non è sufficiente. Bisogna modificare le distanze tra le ottiche o le focali delle lenti per migliorarla senza diminuire larea investigata. La zona di campione investigata è un quadrato di lato 340 μm

10 Miglioramento della risoluzione La risoluzione migliora quanto più le dimensioni del fascio sul campione sono piccole Il fascio deve incidere più ampio possibile sullobiettivo

11 Variabili che ho provato a modificare nel sistema: d S-L1 d L1-L2 d L2-O f1f1 f2f2

12 Distanza specchi-prima lente: Influisce sullallontanamento del fascio dal centro Bisogna assicurare lingresso di tutto il fascio nellobiettivo e lingresso sulle lenti in zone centrali non soggette a non idealità Soluzione migliore: Distanza pari alla focale della prima lente Determina le dimensioni di campione esplorato durante la scansione

13 Focale della prima e della seconda lente del telescopio: Entrambe le lenti del telescopio devono essere convergenti Ingrandimento M=f 2 /f 1 f 1 piccola, f 2 grande Per le considerazioni fatte prima sulla distanza specchi-prima lente e sugli ingombri, f 1 non può essere troppo piccola f 1 = 35 mm ; f 2 = 85 mm

14 Distanza tra le lenti: Telescopio con lenti convergenti d = f 1 + f 2 Se d < f 1 + f 2 fascio uscente divergente Se d > f 1 + f 2 fascio uscente convergente La convergenza non conviene: - si perde ingrandimento - si peggiora compattezza microscopio La divergenza può essere vantaggiosa: - a pari compattezza aumenta lingrandimento - peggiorano le dimensioni totali investigate Per operare in divergenza: f 2 = 150 mm

15 Distanza telescopio - obiettivo: Indifferente se si opera in collimazione Più piccola possibile per ridurre ingombro totale del microscopio Se si opera in divergenza: distanza grandemigliore risoluzione, ingrandimento maggiore, zona esplorata più piccola

16 IDEA: Doppio telescopio Ho pensato di aggiungere un secondo telescopio prima degli specchi di deflessione per ingrandire ulteriormente il fascio Significativo miglioramento della risoluzione Aumento delle dimensioni del microscopio Perdita di potenza sulle lenti

17 Schema finale del microscopio: Campione Obiettivo 40x Fototubo Beam-splitter Lente, f=30mm Lente f=85-150mm Lente f=35mm Galvospecchi specchio Lente f=75mm Lente f=40mm

18 Immagini di un campione graduato prima delle modifiche Ingrandimento 1xIngrandimento 4x 50 μm

19 Immagini del campione graduato ottenute con il doppio telescopio e in collimazione (f 2 =85mm): Ingrandimento 1xIngrandimento 4x 50 μm

20 Immagini del campione graduato ottenute con il doppio telescopio e in divergenza ( f 2 =150mm): Ingrandimento 1xIngrandimento 4x

21 Immagini di circuiti microelettronici (1):

22 Immagini di circuiti microelettronici (2): 2 μm

23 Immagini dei globuli rossi: Ingrandimenti 1x e 4x; diametro globuli di circa 7 μm 7 μm

24 Immagini sferette di diametro 2,5 μm : In collimazione (f 2 =85mm)In divergenza (f 2 =150mm)

25 Caratterizzazione della profondità di fori su silicio per BrightSolutions: 8 campioni di silicio con fori per aumentare la superficie illuminata di celle solari Campioni diversi hanno fori di profondità diversa perché eseguiti con laser a potenza diversa Misurare la profondità dei fori contando quanti passi intercorrono tra il punto in cui è a fuoco la superficie o il fondo del foro

26 Futuri miglioramenti previsti (1): Meccanica: Visualizzare un campione posto in orizzontale Creare un supporto fisso definitivo Software: Sviluppare un software per poter ricostruire immagini in 3D

27 Futuri miglioramenti previsti (2): Replicare una sorgente impulsata per il microscopio Possibili sorgenti: Cr: Forsteriteλe=1240; λp=1064; Δimp=20-100fs frip=60-150MHz Cr: LISAFλe=860; λp=670; Δimp=20-100fs frip=80-150MHz Nd: Glassλe=1054; λp=804; Δimp=300fs frip=140MHz Sostituire il Beam-Splitter con un Cold Mirror

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