ES2905090T3

ES2905090T3 - Hoja de luz de haz de Airy y microscopio de hoja de luz de haz de Airy

Info

Publication number: ES2905090T3
Application number: ES15747186T
Authority: ES
Inventors: Michael Mazilu; Tom Vettenburg; Kishan Dholakia; Miguel Preciado; Zhengyi Yang
Original assignee: University of St Andrews
Current assignee: University of St Andrews
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: CA2956728A1; US20170199363A1; CN106537221A; EP3175278A1; CN106537221B; US20190361214A1; JP6720136B2; US10816787B2; GB201413500D0; US10353188B2; CA2956728C; EP3175278B9; EP3175278B1; JP2017523474A; WO2016016642A1

Abstract

Un sistema óptico para generar un haz de Airy modulado o una hoja de luz de haz de Airy modulado, que comprende una disposición óptica para generar un haz gaussiano y una disposición de modulación configurada para transmitir una modulación espacial en el haz gaussiano para convertir de este modo el haz gaussiano en un haz de Airy modulado o una hoja de luz de haz de Airy modulado, en donde el haz de Airy modulado o la hoja de luz de haz de Airy modulado se definen mediante una función espectral que es una función de una función espectral de haz de Airy multiplicada por una función de modulación espectral, en donde la función espectral de haz de Airy está asociada a una modulación de fase cúbica, y en donde la función de modulación espectral está asociada a otra modulación en fase que es adicional a la modulación de fase cúbica y/o en donde la función de modulación espectral está asociada a una modulación en amplitud que está representada por exp(-b0kx), donde kx representa un vector de onda asociado a una dirección x que es transversal a una dirección de propagación z del haz de Airy modulado o de la hoja de luz de haz de Airy modulado y donde b0 es una constante.

Description

DESCRIPCIÓN

Hoja de luz de haz de Airy y microscopio de hoja de luz de haz de Airy

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la formación de imágenes de hojas de luz y, en particular, a un microscopio de hoja de luz.

Antecedentes de la invención

La formación de imágenes de hojas de luz está ganando importancia rápidamente para la formación de imágenes de especímenes biológicos intactos. Muchas de las últimas innovaciones se basan en los haces Bessel o Airy de propagación invariante para formar una hoja de luz extendida para proporcionar alta resolución en un amplio campo de visión. Conformar la luz para realizar haces de propagación invariante a menudo se basa en una programación compleja de moduladores de luz espacial o elementos ópticos especializados y fabricados a medida.

La microscopía de fluorescencia de hoja de luz (LSFM) se está volviendo cada vez más importante en la investigación biológica, en particular, para monitorizar el desarrollo de grandes muestras tridimensionales. La microscopía de hoja de luz forma imágenes volumétricas de alto contraste con una exposición de muestra mínima. La resolución axial de la imagen está determinada por la anchura del haz de luz de iluminación. En LSFM, solo se ilumina una capa delgada de la muestra a la vez y las imágenes se capturan perpendiculares al plano iluminado. Tal capacidad de seccionamiento óptico permite un alto contraste, una alta resolución axial, al tiempo que minimiza la exposición de la muestra y la fototoxicidad.

La resolución axial de la microscopía de hoja de luz está determinada por la combinación de la abertura numérica del objetivo de detección y el espesor de la hoja de luz. Para una iluminación con haz gaussiano, un gran campo de visión requiere una hoja de luz relativamente gruesa, comprometiendo de este modo la resolución axial o exponiendo la muestra innecesariamente a la irradiación. La iluminación de doble cara o mover la muestra a lo largo del plano de iluminación puede ampliar el campo de visión. Sin embargo, ambos métodos aumentan la irradiación de la muestra y, por lo tanto, pueden inducir más fotoblanqueo y fotodaño.

Se ha logrado una alta resolución axial usando hojas de luz extendidas escaneando digitalmente un haz de Bessel o Airy de propagación invariante. Los campos de Airy pueden proporcionar un amplio campo de visión, que es ideal para la microscopía de hoja de luz. La generación de hojas de luz de Bessel o Airy requiere, en general, unos dispositivos para el escaneo digital y la modulación de luz espacial. Esto aumenta significativamente el tamaño y la complejidad de la configuración óptica. Por supuesto, las aplicaciones prácticas de la microscopía de hoja de luz avanzada a menudo están limitadas por el alto coste y la complejidad de su implementación.

Sumario de la invención

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 1.

El sistema óptico, por ejemplo, un microscopio de hoja de luz, puede comprender un único elemento óptico para convertir el haz gaussiano en una hoja de luz de haz de Airy.

El elemento óptico es preferentemente un elemento óptico estático/pasivo configurado para transmitir una fase cúbica en el haz gaussiano, para convertirlo de este modo en una hoja de luz de haz de Airy.

El elemento óptico comprende preferentemente una lente cilíndrica que está inclinada con respecto a una dirección de propagación del haz gaussiano.

Puede proporcionarse un primer colimador para colimar el haz gaussiano antes de que incida en el elemento óptico de conversión.

Puede proporcionarse un segundo colimador para colimar el haz gaussiano después de la incidencia en el elemento óptico de conversión.

Puede proporcionarse una abertura/ranura variable para variar el tamaño del haz que incide en el elemento óptico de conversión.

El sistema óptico puede adaptarse para proporcionar un haz de Airy modulado en fase y/o amplitud.

El haz de Airy modulado en fase y/o amplitud puede tener un perfil de intensidad que aumenta a lo largo de la dirección de propagación del haz.

El sistema óptico puede incluir al menos un elemento óptico de difracción dinámica, tal como un dispositivo de microespejo digital o un modulador de luz espacial para generar el haz de Airy modulado. El haz de Airy modulado también puede generarse usando un elemento óptico de difracción estático.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método para generar un haz de Airy modulado o una hoja de luz de haz de Airy modulado de acuerdo con la reivindicación 11.

El método puede resultar en la variación de la fase y/o amplitud del haz de Airy para proporcionar una modulación de intensidad deseada.

En un ejemplo, la función de modulación espectral puede disponerse para modificar la función espectral de haz de Airy de tal manera que compense las pérdidas de atenuación debidas a la propagación dentro de un medio de dispersión o absorción.

El método puede implicar la variación de una fase y/o amplitud del haz para proporcionar un perfil de intensidad que aumente a lo largo de la dirección de propagación. El perfil de intensidad puede seleccionarse para compensar las pérdidas de atenuación debidas a la propagación dentro de un medio de dispersión o absorción.

Breve descripción de los dibujos

Diversos aspectos de la invención se describirán únicamente a modo de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos adjuntos, de los que:

la figura 1(a) muestra un microscopio de hoja de luz de Airy con una lente cilíndrica inclinada (CL);

la figura 1(b) es una proyección de una hoja de luz de Airy generada usando el microscopio de la figura 1(a); la figura 1(c) es un perfil de haz de una hoja de luz de Airy, en donde la línea continua representa una sección transversal de la proyección de la hoja de luz de Airy de la figura 1(b) a lo largo de la línea continua horizontal superpuesta a la proyección de la hoja de luz de Airy de la figura 1(b) y en donde la línea discontinua representa el perfil de haz de Airy correspondiente a partir de un modelo ajustado;

la figura 2 muestra diversas representaciones gráficas de (a) la longitud focal, (b) el desplazamiento de eje óptico, (c) el residual de modulación cúbica, y (d) el residual de modulación de orden superior, en función del ángulo CL de lente cilíndrica;

la figura 3 muestra una proyección vertical de una muestra con microesferas fluorescentes, antes de la deconvolución (a) y después de la deconvolución (b);

la figura 4 muestra otro microscopio de hoja de luz de Airy con una lente cilíndrica inclinada (CL);

la figura 5 muestra un perfil de intensidad de un haz de Airy que compensa la atenuación a medida que se propaga a través de un medio con pérdidas con x0 = 1, z0 = 1, a= 0 y b0 = 0:2. (a) representación gráfica de densidad de intensidad x-z (b) sección transversal en el plano de vértice z = 0;

la figura 6(a) es una representación esquemática de una configuración experimental para experimentos de propagación de haz de Airy (en el aire) sin pérdidas;

la figura 6(b) es una representación esquemática de una configuración experimental para experimentos de propagación de haz de Airy (solución de rodamina-B) de absorción/pérdidas;

la figura 7 muestra unas representaciones gráficas de la función de intensidad de haz después de 11 cm de propagación sin pérdidas (a, b, y c) para el primer, segundo y tercer ejemplo, donde los ejes de haz '1' y '2' se muestran en una línea de puntos blancos y de puntos discontinuos, respectivamente; intensidad de haz medida (sólida) y simulada numéricamente (discontinua) a través de los ejes de haz '1' (d, e y f) y '2' (g, h, y i) para el primer, segundo y tercer ejemplo de haz;

la figura 8 muestra la intensidad de pico de haz durante la propagación sin pérdidas a partir de la simulación numérica (sólida) y las mediciones experimentales (círculo discontinuo) para el primer (a), segundo (b) y tercer (c) ejemplos de haz, diseñadas para mostrar un crecimiento exponencial de 0, 1,29 y 2,48 dB/cm, respectivamente; la figura 9 muestra la intensidad de pico a lo largo de una trayectoria de propagación del medio con pérdida dentro de la cubeta que contiene la solución de agua Rodhamine-b, obtenida a partir de medidas experimentales (cruces), y ajuste lineal (sólidas), en comparación con una evolución de intensidad de pico teóricamente esperada (discontinua) para el primer (a), segundo (b) y tercer (c) ejemplos de haz;

la figura 10 muestra imágenes de un microscopio de hoja de luz para hojas de luz compensadas y no compensadas, y

la figura 11 es una vista esquemática de un microscopio de hoja de luz de haz de Airy de un único fotón similar al de la figura 1, donde se coloca un atenuador variable (VA) antes de la lente cilíndrica inclinada (CL).

Descripción detallada de los dibujos

La figura 1 muestra un microscopio de hoja de luz de haz de Airy de un único fotón. Este tiene una fibra FB para introducir luz desde un láser. La salida de haz de la fibra tiene un perfil gaussiano. En una salida de la fibra está una primera lente L1, que colima el haz y lo dirige hacia una ranura regulable AS. La ranura ajustable AS permite variar la abertura numérica del haz. En la trayectoria óptica desde la ranura ajustable AS hay una lente cilíndrica inclinada, que enfoca la luz a un punto focal desplazado del eje óptico. La inclinación controlada de la lente cilindrica sobre el eje óptico puede inducir anormalidades que se aproximan mucho a la modulación cúbica necesaria para la microscopía de hoja de luz de Airy.

La anormalidad de otro orden se compensa usando una lente de longitud focal corta L2, que se coloca después del punto focal de la lente cilíndrica para volver a colimar el haz. La lente cilíndrica inclinada da como resultado un desplazamiento lateral del eje óptico. Este desplazamiento puede compensarse ajustando un espejo M que se proporciona en el eje óptico después de la lente de longitud focal corta L2. La hoja de luz se representa en forma de imágenes en la cámara de muestra SC mediante la lente de longitud focal corta L2, un expansor de haz BE y un objetivo de iluminación O1. Las imágenes se toman perpendiculares al plano de iluminación con un segundo objetivo O2, una lente de tubo TL y una cámara CÁM.

El microscopio de la figura 1 se ha probado. Para los experimentos, el láser usado fue un Verdi V6, 6 W, 532 nm, Coherente; la lente L1 era una LA1708-A-ML, FL 200 mm, Thorlabs; la ranura ajustable AS era una VA100/M, Thorlabs; la lente cilíndrica era una LJ1695RM-A, FL 50 mm, Thorlabs; la lente de longitud focal corta L2 era una AC127-025-A-ML, FL 25 mm, Thorlabs; el primer objetivo O1 fue un UMPLFLN 10XW, 10X sumergible en agua, NA 0,3, Olympus; el segundo objetivo O2 era un CFI Apo 40XW NIR, 40X sumergible en agua, NA 0,8, Nikon; la lente de tubo TL era una LA1708-A-ML, FL 200 mm, Thorlabs, y la cámara CÁM era un CCD, piA640-210gm, Basler. Toda la configuración fijada dentro de un espacio de 35 cm * 35 cm * 10 cm, incluyendo la etapa de traslación XYZ para montar la muestra. Al cambiar la etapa de traslación existente a una etapa automática más compacta, las dimensiones físicas del sistema pueden reducirse adicionalmente, destacando su potencial como sistema portátil.

En una fase de prueba inicial, se determinó la distribución de intensidad tridimensional de la hoja de luz. Esto se logró trasladando un pequeño espejo a la cámara de muestras y registrando el reflejo plano por plano. A continuación, se ajustó a la medida un modelo de la hoja de luz. Esto se basó en la siguiente función compleja, que representa una modulación de fase cúbica polinomial en la parte trasera de la abertura del objetivo de microscopio:

P(u, 0) = exp(2nau3), (1)

donde P(u,0) es el campo en la parte trasera de la abertura del objetivo de microscopio y u es la coordenada transversal de la pupila normalizada al radio de la abertura trasera del objetivo de microscopio. El parámetro adimensional a controla la invariancia de propagación del haz de Airy y el contraste axial de la imagen. Los valores típicos de a están entre 2 y 10, correspondientes a la modulación de fase máxima en unidades de longitud de onda en el borde de la abertura (véase T. Vettenburg, H. I. C. Dalgarno, J. Nylk, C. C. Llado, D. E. K. Ferrier, T. Cizmar, F. J. Gunn-Moore y K. Dholakia, "Light sheet microscopy using an Airy beam", Métodos Nat. 11, 541-544 (2014)).

Se consideraron modulaciones de fase de hasta quinto orden y, para tener en cuenta la iluminación no uniforme de la abertura trasera, una modulación de amplitud de hasta polinomios de tercer orden. La hoja de luz medida experimentalmente se desvió significativamente de su predicción teórica. Se encontró que la modulación cúbica era mayor a = 7,8 A, mientras que estaban presentes los componentes de cuarto y quinto orden, 1,65 A y 2,9 A, respectivamente. Además, la iluminación no era uniforme, con componentes lineales, cuadráticos y cúbicos normalizados de 0,6, -0,5 y 0,4, respectivamente. Se consideró que esta discrepancia con el modelo teórico se debía a desalineaciones menores en la óptica. Sin embargo, el modelo ajustado permitió una deconvolución precisa de los datos registrados.

Para evaluar el impacto del ángulo de inclinación de la lente cilíndrica, se utilizó el llamado modelo Zemax para diversos parámetros de sistema. Una matriz lineal de rayos, separados uniformemente a lo largo de una distancia de 5 mm a través del centro de la superficie delantera convexa de la lente cilíndrica inclinada. Las longitudes de trayectoria óptica de cada rayo se determinaron en el punto focal, definido como el punto donde es mínima la desviación estándar en la longitud de trayectoria óptica. Se ajustó un polinomio cúbico para determinar un valor para a y se determinó el residual para evaluar la presencia de términos de orden superior. Este proceso se repitió para 121 ángulos de inclinación de lentes cilíndricas entre 0 y 60 grados y para cinco longitudes de onda de láser de excitación típicas.

La figura 2 muestra la influencia del ángulo de inclinación de lente cilíndrica. En particular, la figura 2 muestra (a) la longitud focal, (b) el desplazamiento de eje óptico, (c) el residual de modulación cúbica y (d) el residual de modulación de orden superior, cada uno en función del ángulo de lente. Los colores de línea corresponden a las longitudes de onda naturales 405 nm, 488 nm, 532 nm, 561 nm y 633 nm. A la longitud de onda de 532 nm usada en los experimentos, el valor de a es de 1,21 A a 35 grados, 4,13 A a 40 grados y 11,24 A a 45 grados. Esto cubre los valores útiles para la microscopía de hoja de luz de haz de Airy. Casi no hay términos de orden superior presentes como puede verse en (d). La modulación de fase residual tiene una desviación estándar de solo 0,026 A, 0,006 A y 0,061 A, respectivamente. Las distancias focales son de 26 mm, 22 mm y 18 mm. La posición del eje se desplaza 1,6 mm, 1,9 mm, y, 2,3 mm. La posición del foco a una longitud de onda de 488 nm difiere en menos del 1 %. Como resultado, no es necesario ajustar el óptico cambios menores en la longitud de onda.

Como puede verse en las figuras 2(a) y (b), la posición del punto focal depende claramente del ángulo de lente. Ajustar la modulación requerirá, por lo tanto, reajustar la posición de la lente cilíndrica. Sin embargo, se observa una dependencia mínima de la longitud de onda, incluso si la lente cilindrica es una lente singlete. Además, como puede verse en la figura 2(c), la modulación cúbica varía dramáticamente para ángulos de lente entre 0 y 60 grados. Los ángulos de inclinación entre 40 grados y 45 grados dan como resultado coeficientes polinómicos cúbicos en el intervalo normalmente necesario para la microscopía de hoja de luz de Airy. La modulación residual se calcula como la diferencia de la trayectoria óptica cuadrática media después de restar el término cúbico. Esto aumenta rápidamente para ángulos cercanos a los 6o grados. Sin embargo, entre 40 grados y 45 grados es despreciable (< A/10, figura 2(d)). En este intervalo, la posición focal varía solo unos pocos milímetros, como puede verse en las figuras 2(a) y (b).

El sistema se probó registrando pilas de datos tridimensionales de microesferas fluorescentes rojas (R600, Termocientífico, 600 nm) embebido en agarosa al 1,5 % y suspendido en la cámara de muestra sumergida en agua desde la parte superior. Para estos experimentos, la longitud de onda de excitación fue de 532 nm y el ángulo de inclinación se fijó en 40 grados. Esto debería proporcionar una modulación cúbica teórica de aproximadamente a = 4,13 A. La muestra suspendida se escaneó usando un accionador motorizado (CMA-25CCCL, Newport) en un escenario lineal XYZ (M-562-XYZ, Newport) y las imágenes se adquirieron cada 185 nm.

La figura 3(a) muestra una proyección vertical de la muestra antes de la deconvolución. La proyección vertical en la figura 3(a) muestra claramente cómo la estructura transversal asimétrica de la hoja de luz de Airy interactúa con cada microesfera para crear una cola axialmente alargada. Aunque antes de la deconvolución las microesferas fluorescentes aparecen borrosas en la dimensión axial, z, el patrón es relativamente independiente de la coordenada horizontal, x. Para este experimento, la abertura numérica del objetivo de detección se redujo usando un iris para capturar con precisión este patrón. Se tuvo cuidado de alinear el movimiento de etapa con el eje óptico del objetivo de detección. Sin embargo, todavía se detectó una pequeña desviación en las colas alargadas. Se encontró que el error residual era consistente. Por lo tanto, podría corregirse deformando digitalmente los datos registrados en una pequeña cantidad antes de aplicar la deconvolución.

La figura 3(b) muestra una proyección vertical de la muestra después de la deconvolución. Esto muestra que la resolución axial es comparable en todo el campo de visión del chip de cámara. Una hoja de luz gaussiana con NA equivalente proporcionaría una resolución axial de 1,4 pm y solo permanecería confinada en el intervalo de Rayleigh -4 pm < x < 4 pm, aunque la deconvolución precisa puede ser posible en un FOV más grande. Por el contrario, la iluminación de hoja de luz de Airy da acceso a zonas que están al menos cuatro veces más distantes de la cintura de hoja de luz, permitiendo esencialmente una alta resolución axial en la zona del sensor.

La figura 4 muestra otro microscopio de hoja de luz de haz de Airy compacto. En este caso, la disposición óptica y su funcionalidad es en general la misma que para la figura 1, excepto que en este caso el objetivo de iluminación O1 y el objetivo de formación de imágenes O2 se colocan verticalmente por encima de la cámara de muestra SC. Como se muestra, el objetivo de iluminación O1 y el objetivo de formación de imágenes O2 se colocan simétricamente con respecto a la cámara de muestra y a 45 grados de la horizontal.

La presente invención proporciona un microscopio de hoja de luz de haz de Airy compacto de bajo coste. Toda la configuración óptica puede disponerse para que ajuste bien en un espacio reducido, por ejemplo, de 35 cm * 35 cm * 10 cm. La compacidad y portabilidad del sistema lo hace más accesible para los biólogos. Las simulaciones mostraron que inclinar la lente cilíndrica permite una cantidad controlable de modulación de fase cúbica para generar la hoja de luz de Airy, mientras que la inclinación y el desenfoque adicionales pueden compensarse fácilmente mediante el uso adecuado de óptica de relé. Los experimentos muestran que la resolución axial es comparable a la esperada de una hoja de luz gaussiana, aún a través de todo el FOV de la zona de detector.

El uso de un haz de Airy para la formación de imágenes de hojas de luz tiene una serie de ventajas debido a la naturaleza de propagación autoregenerativa, no lineal y no difractiva del haz de Airy. Sin embargo, estas propiedades solo se mantienen en medios isotrópicos sin pérdidas. La propagación a través de medios absorbentes o de dispersión conduce a una disminución de intensidad exponencial en la dirección de propagación del haz. Para contrarrestar este comportamiento, el haz de Airy puede modificarse para compensar, a una distancia finita, este efecto. Al aplicar la dualidad entre las ecuaciones que describen la difracción paraxial de haces de luz espacialmente confinados y la dispersión de pulsos de banda estrecha en dieléctricos (la llamada, dualidad espacio-tiempo), se proporciona un haz de Airy de compensación equivalente para la óptica espacial.

A continuación, se describirá la base teórica del haz de Airy que compensa la atenuación y sus propiedades de propagación. El campo de haz de Airy unidimensional, en el plano de vértice, está definido por uü(x) = Ai(x/xü) donde x es la coordenada transversal y x0 su factor de escala. La transformada de Fourier asociada, en el espacio recíproco definido por kx

ü0(kx) = x0exp(íXQfc| / 3)

muestra el perfil de fase cúbico característico y define el espectro espacial del haz de Airy. El haz de Airy que compensa la atenuación se crea a través de un factor de amplificación variable de cada componente espectral definido por exp(-bükx).

Usando la integral de Huygens-Fresnel en el espacio recíproco, puede determinarse el espectro espacial de haz después de propagarse una distancia z a través de un medio de absorción lineal:

tfcjz

u(kx,z) = exp ikz u0(kx)exp(- b 0kx)

~2k

donde k=noko ia/2 es el vector de onda complejo definido para incluir el vector de onda de vacío kü = 2n/Á y el índice de refracción no y el coeficiente de absorción a del medio. Considerando un haz de Airy con ancho de banda limitado N * k^máx y distancias de propagación z « 4n;;fco / (a k^áx) la evolución de la propagación puede aproximarse a:

/ ífcjz \

u{kx,z) ~ exp I - lkz j u 0(kx)exp(- b 0kx)

Al realizar una transformada inversa de Fourier de este espectro espacial, puede determinarse el campo de haz asociado al haz compensado en cualquier posición de propagación z:

donde z0 = n0k0x l está asociado al parámetro de abertura de la trayectoria parabólica del haz de Airy.

Este es el término zbo/(2zoXo) que contrarresta la disminución del campo exponencial en un medio de absorción lineal. Por supuesto, la pérdida de intensidad compensada global viene dada por a - bo/(zoXo). La figura 5 muestra la sección transversal de este haz y su comportamiento de propagación a través de un medio no absorbente. En particular, la figura 5 muestra un perfil de intensidad del haz de Airy que compensa la atenuación a medida que se propaga a través de un medio con pérdidas con xo = 1, zo = 1, a= o y bo = o:2. (a) Representación gráfica de densidad de intensidad x-z (b) Sección transversal en el plano de vértice z = o.

El haz puede entenderse considerando una amplificación exponencial en el espacio recíproco. Esta amplificación contrarresta la pérdida de intensidad debida a la absorción lineal al ver el haz de Airy como la superposición de múltiples ondas planas que forman una cáustica correspondiente al lóbulo principal del haz de Airy. La amplificación exponencial aumenta en efecto la amplitud de las ondas planas constituyentes de tal manera que teniendo en cuenta la absorción, estas ondas planas "alcanzan" el lóbulo principal que tiene la misma amplitud.

El haz de Airy bidimensional puede tratarse de manera similar y corresponde al producto entre dos campos complejos u(z, x)u(z, y)exp(ikz) donde el último término cancela la onda portadora doble contada. En este caso, el haz de Airy compensado por atenuación tiene un término de pérdida compensada definido y = a -(box+ boy)/(zoXo) donde box y boy corresponden a los factores de compensación para los campos u(z,x) y u(y,z). El comportamiento de compensación de atenuación también es posible para los haces de Airy de energía finita.

Con el fin de demostrar la propagación libre de difracción y la compensación de atenuación simultánea del haz basado en Airy de energía finita, se investigaron tres ejemplos de un haz de Airy compensado por atenuación. La fuente de láser fue un láser de helio-neón A = 543 nm). En este caso, se utilizó un dispositivo de microespejo digital DMD para la modulación de luz espacial de campo complejo (amplitud/fase) necesaria para generar el haz de Airy. Un dispositivo de microespejo digital DMD tiene una serie de espejos microscópicos que pueden hacerse rotar individualmente en dos posiciones, conduciendo cada una de las mismas conduce a una modulación de encendido/apagado del haz de salida reflejado en ese píxel específico. Esto da como resultado una modulación de luz espacial de amplitud binaria de un haz de luz incidente de acuerdo con los estados de los microespejos. Para el experimento, el dispositivo de microespejo digital usado fue un Texas Instruments DLP Lightcrafter EVM.

Se consideraron dos medios de propagación: un medio de referencia sin pérdidas correspondiente a la propagación a través del aire y un medio de propagación con pérdidas consistente en una solución de Rodamina-B en agua, con una absorción medida, debido a la fluorescencia, de a = 2,97dB/cm. Los parámetros usados fueron xo = 2,78 x 1o-5 m y b^ox = b^oy = q • 1,84 x 1o-6 m, donde q = o, 1 y 2, respectivamente para el primer, segundo y tercer ejemplo de haz (obsérvese que el primer ejemplo corresponde a un haz de Airy "clásico"). Estos valores conducen a un factor de pérdida de intensidad globall y = 2,97 - qo,97 dB/cm en la solución de Rodamina-B en agua (con no = 1,33). En el aire (con no = 1, y a = u), el valor obtenido fue y= -q-1,29dB/cm. Un haz de energía finita se obtiene mediante ventanas en el dominio espectral, aplicando una ventana superior plana súper gaussiana de octavo orden:

W(kx,ky) = exp (-fe®/(2fe^áx)exp(-fe®/ 2fe l^áx),

donde k^máx = 1,77 x 1o4 metro-1.

La función de haz deseada se diseñó para enfocarse en una posición central 12 cm después de la superficie de DMD mediante la compensación previa de la difracción correspondiente a 12 cm de propagación en el espacio libre. Usando una iluminación aproximadamente uniforme en la zona de modulación de DMD, las funciones de modulación espacial deseadas pueden considerarse aproximadamente iguales a las funciones de campo complejas de haz diseñadas anteriormente. Asimismo, es posible codificar una modulación espacial compleja (amplitud/fase) ty(x,y) e C en la modulación espacial de amplitud binaria entregada por el DMD. En este caso, se considera un procedimiento de codificación de dos etapas. En una primera etapa, se crea una máscara de difracción real no negativa f(x,y) asociada a la modulación compleja y(x,y) usando

donde la máscara de difracción conduce a tres órdenes de difracción fo(x,y) |V(x,y)|,

generando cada uno de los mismos un haz modulado en un ángulo definido por el vector de onda de máscara (k^x, k^y). Una selección estenopeica del orden de difracción f+-i(x,y) proporciona una modulación compleja deseada y(x,y).

Finalmente, la función de modulación real no negativa F(x,y) puede cuantificarse dando como resultado una función de modulación de amplitud binaria, aplicando un algoritmo de tramado binario. Más específicamente, en este caso se usa un algoritmo de tramado de difusión de errores de Floyd-Steinberg, donde la distribución binaria resultante se calcula mediante la difusión del error de cuantificación residual de un píxel cuantificado sobre sus píxeles vecinos.

La figura 6 (a) muestra una configuración experimental para probar la propagación en el espacio libre. Un haz expandido y colimado de la fuente láser se modula por un DMD con las funciones de modulación espacial binaria calculadas anteriormente. La figura 7 muestra el haz resultante capturado por el CCD a 11 cm de la superficie de modulación de DMD, donde se representa el perfil de haz a través de los ejes del haz de Airy y se compara con los predichos por las simulaciones numéricas. Los haces de propagación resultantes se capturan por una cámara CCD a diferentes distancias. En particular, las figuras 7 (a) a (c) muestran unas representaciones gráficas de la intensidad de haz después de 11 cm de propagación sin pérdidas para el primer, segundo y tercer ejemplo, donde los ejes de haz '1' y '2' se muestran en unas líneas de puntos blancos y de puntos discontinuos, respectivamente. Las figuras 7 (d) a (f) muestran la intensidad de haz medida (sólida) y simulada numéricamente (discontinua) a través de los ejes de haz '1' (d, e y f) para el primer, segundo y tercer ejemplos de haz, respectivamente. Las figuras 7 (g) a (i) muestran la intensidad de haz medida (sólida) y simulada numéricamente (discontinua) a través de los ejes de haz '2' para el primer, segundo y tercer ejemplos de haz, respectivamente.

La figura 8 muestra la intensidad de pico de haz durante la propagación sin pérdidas a partir de la simulación numérica (sólida) y las mediciones experimentales (círculo discontinuo) para el primer (a), segundo (b) y tercer (c) ejemplos de haz, diseñadas para mostrar un crecimiento exponencial de 0, 1,29 y 2,48 dB/cm, respectivamente. En estos ejemplos, se obtiene la evolución logarítmica lineal positiva (es decir, que aumenta exponencialmente) predicha teóricamente del máximo de haz a lo largo de la trayectoria de propagación.

La figura 6(b) muestra una configuración experimental para demostrar el efecto compensador del haz de Airy modificado. En este caso, una cubeta (5 cm de largo (en la dirección de propagación z), 1 cm de ancho y 12,5 cm de alto) se llena con la solución de Rodamina-B en agua. Con el fin de medir la intensidad de pico de haz dentro de la cubeta, se fabricó un espejo dorado cuadrado de tamaño personalizado para que se fijara dentro de la cubeta. El haz reflejado se captura por una cámara CCD enfocada en el punto de reflexión.

La figura 9 muestra la intensidad de pico a lo largo de la trayectoria de propagación del medio con pérdida dentro de la cubeta que contiene la solución de agua Rodhamine-b, obtenida a partir de medidas experimentales (cruces), y ajuste lineal (sólidas), en comparación con la evolución de intensidad de pico teóricamente esperada (discontinua) para el primer (a), segundo (b) y tercer (c) ejemplos de haz, respectivamente. A partir de esto, puede verse que el tercer haz compensa mejor la absorción de Rodamina-B. Curiosamente, la intensidad de pico de salida en la figura 9(a) es menor que la observada en las figuras 9 (b) y (c). Para un filtro de modelado de haz perfecto, es imposible lograr una mayor intensidad de pico de salida ya que la máscara de corrección de atenuación que se analiza en este caso no tiene ganancia. Sin embargo, debido a la codificación de DMD, puede observarse una amplificación aparente resultante a partir de una mayor eficiencia de difracción para máscaras específicas.

La nueva forma de haces basados en la función de Airy descrita anteriormente muestra una propagación de compensación de atenuación. Se ha demostrado experimentalmente que esta propiedad de propagación única permanece en el haz de energía finita después del truncamiento espectral de los haces de energía infinita ideales. Estos haces pueden resultar interesantes para acelerar las aplicaciones basadas en haces tales como la formación de imágenes, plasmónicos y micro manipulación, especialmente cuando puede usarse la propagación de compensación de atenuación para obtener una intensidad de pico que sea más uniforme de lo que sería el caso a través de la trayectoria de propagación de un medio con pérdidas o altamente disperso. Como un ejemplo específico, los haces podrían usarse en la microscopía de hoja de luz. Los resultados preliminares muestran un mayor contraste de la imagen resultante en la dirección de propagación del haz, como se muestra en la figura 10.

Mientras que en el ejemplo anterior, la amplitud del haz de Airy se ha modulado para compensar las pérdidas de propagación, la invención puede aplicarse de manera más general para esculpir o definir el perfil de un haz de Airy, y también una hoja de luz de haz de Airy. Esto se hace multiplicando la función espectral de haz de Airy por una función de modulación espectral. La función de modulación espectral varía la fase y/o la amplitud de la función espectral de haz de Airy para proporcionar un perfil deseado. En el ejemplo específico descrito anteriormente, la función de modulación espectral es una función de modulación de amplitud representada a por exp(-bokx).

La modulación del campo de Airy descrita anteriormente puede usarse en el microscopio de hoja de luz compacto de la figura 1. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 11. Esto ilustra un microscopio de hoja de luz de haz de Airy de un único fotón similar al de la figura 1, donde se coloca un atenuador variable VA antes de la lente cilíndrica inclinada CL para introducir una modulación de amplitud. Esta modulación de amplitud se suma a la modulación cúbica introducida por la lente cilíndrica CL. La modulación de amplitud puede usarse como se ha descrito anteriormente para modular la amplitud de la hoja de luz de haz de Airy para proporcionar un perfil de amplitud deseado. En particular, el atenuador variable puede disponerse para sumar la modulación de amplitud exponencial exp(-bokx).

Un experto en la materia apreciará que son posibles las variaciones del orden de las etapas, procesos y disposiciones divulgados. Por ejemplo, mientras que la hoja de luz de haz de Airy modulado descrita anteriormente tiene un perfil de intensidad diseñado para compensar la atenuación o la dispersión, podría usarse la técnica de modulación de la invención para definir otros perfiles a lo largo de la dirección de propagación. Por ejemplo, podría usarse un elemento de atenuación variable arbitrariamente (VA) para introducir una modulación de amplitud arbitraria del haz incidente. En consecuencia, la descripción anterior de la realización específica se realiza únicamente a modo de ejemplo y no con fines limitativos. Será evidente para el experto en la materia que pueden realizarse modificaciones menores sin cambios significativos en la operación descrita.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema óptico para generar un haz de Airy modulado o una hoja de luz de haz de Airy modulado, que comprende una disposición óptica para generar un haz gaussiano y una disposición de modulación configurada para transmitir una modulación espacial en el haz gaussiano para convertir de este modo el haz gaussiano en un haz de Airy modulado o una hoja de luz de haz de Airy modulado,

en donde el haz de Airy modulado o la hoja de luz de haz de Airy modulado se definen mediante una función espectral que es una función de una función espectral de haz de Airy multiplicada por una función de modulación espectral,

en donde la función espectral de haz de Airy está asociada a una modulación de fase cúbica, y

en donde la función de modulación espectral está asociada a otra modulación en fase que es adicional a la modulación de fase cúbica y/o en donde la función de modulación espectral está asociada a una modulación en amplitud que está representada por exp(-bokx), donde kx representa un vector de onda asociado a una dirección x que es transversal a una dirección de propagación z del haz de Airy modulado o de la hoja de luz de haz de Airy modulado y donde bo es una constante.

2. Un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la función espectral de haz de Airy está asociada a un único elemento óptico que forma parte de la disposición de modulación.

3. Un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el elemento óptico es un elemento óptico estático/pasivo.

4. Un sistema óptico de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, en donde el elemento óptico comprende una lente cilindrica que está inclinada con respecto a una dirección de propagación del haz gaussiano.

5. Un sistema óptico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, que comprende un primer colimador para colimar el haz gaussiano antes de que incida en el elemento óptico.

6. Un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende un segundo colimador para colimar el haz gaussiano después de la incidencia en el elemento óptico.

7. Un sistema óptico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, que comprende una abertura/ranura variable para variar el tamaño del haz que incide en el elemento óptico.

8. Un sistema óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema óptico es un microscopio óptico de hoja de luz.

9. Un sistema óptico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en donde la disposición de modulación comprende un dispositivo de modulación o un elemento de modulación colocados delante del elemento óptico.

10. Un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la disposición de modulación comprende un elemento óptico de difracción y/o en donde la disposición de modulación comprende un dispositivo de microespejo digital y/o un modulador de luz espacial.

11. Un método para generar un haz de Airy modulado o una hoja de luz de haz de Airy modulado, que comprende transmitir, en un haz gaussiano, una modulación espacial con el fin de convertir el haz gaussiano en un haz de Airy modulado o en una hoja de luz de haz de Airy modulado,

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende seleccionar la función de modulación espectral con el fin de proporcionar el haz de Airy modulado o la hoja de luz de haz de Airy modulado con un perfil de intensidad que permanece constante o que aumenta en una dirección de propagación a medida que el haz de Airy modulado o la hoja de luz de haz de Airy modulado se propagan a través de un medio con pérdidas.

13. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 11 o 12, que comprende seleccionar la función de modulación espectral con el fin de proporcionar el haz de Airy modulado o la hoja de luz de haz de Airy modulado con un perfil de intensidad que compense al menos parcialmente la atenuación o las pérdidas por dispersión en un medio con pérdidas.