MESSA A PUNTO DELL

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MESSA A PUNTO DELLAPPARATO OTTICO DI UN SISTEMA
COMPATTO PER MICROSCOPIA OTTICA A DUE
FOTONIElaborato di Laurea di ELENA
UGOLOTTIRelatore Prof. A. TomaselliCorrelatore
Prof C. Vacchi

• Università degli studi di Pavia

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Scopo del progetto

• Sviluppare un sistema
• Che sfrutti la microscopia a due fotoni
• Possibilità di osservare campioni biologici in
  vivo
• Risoluzioni submicrometriche
• Economico
• Compatto

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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

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Schema del microscopio presente in laboratorio
Specchi di deflessione
f35mm
f85mm
Divisore di fascio
Obiettivo
f30mm
Campione
Laser
Fototubo
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Microscopio presente in laboratorio
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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.

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Fasci gaussiani

• Parametri importanti

Distanza di Rayleigh
Raggio di curvatura
Raggio di curvatura complesso q(z)
Raggio del fascio
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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
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Analisi del sistema

• Con il laser He-Ne si ha
• ? 632 nm
• w0 0,4 mm
• f1 35 mm, f2 85 mm
• ?g 0,08 rad

zr 79 cm
wc 1 µm
La zona di campione investigata è un quadrato di
lato 340 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.
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Miglioramento della risoluzione

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

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Variabili che ho provato a modificare nel sistema
dS-L1
dL1-L2
dL2-O
f1
f2
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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

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Focale della prima e della seconda lente del
telescopio

• Entrambe le lenti del telescopio devono essere
  convergenti
• Ingrandimento Mf2/f1 f1 piccola, f2 grande
• Per le considerazioni fatte prima sulla distanza
  specchi-prima lente e sugli ingombri, f1 non può
  essere troppo piccola

f1 35 mm f2 85 mm
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Distanza tra le lenti

• Telescopio con lenti convergenti d f1 f2
• Se d lt f1 f2 fascio uscente divergente
• Se d gt f1 f2 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 f2 150 mm
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Distanza telescopio - obiettivo

• Indifferente se si opera in collimazione
• Più piccola possibile per ridurre ingombro
  totale del microscopio
• Se si opera in divergenza
• distanza grande migliore risoluzione,
  ingrandimento maggiore, zona esplorata
  più piccola

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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

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Schema finale del microscopio
Lente f85-150mm
Lente, f30mm
Galvospecchi
Lente f35mm
Lente f75mm
Lente f40mm
Obiettivo 40x
Campione
Fototubo
specchio
Beam-splitter
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Immagini di un campione graduato prima delle
modifiche
50 µm

• Ingrandimento 1x

• Ingrandimento 4x

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Immagini del campione graduato ottenute con il
doppio telescopio e in collimazione (f285mm)
50 µm

• Ingrandimento 1x

• Ingrandimento 4x

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Immagini del campione graduato ottenute con il
doppio telescopio e in divergenza (f2150mm)

• Ingrandimento 1x

• Ingrandimento 4x

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Immagini di circuiti microelettronici (1)
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Immagini di circuiti microelettronici (2)
2 µm
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Immagini dei globuli rossi
7 µm
Ingrandimenti 1x e 4x diametro globuli di circa
7 µm
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Immagini sferette di diametro 2,5 µm

• In collimazione (f285mm)

• In divergenza (f2150mm)

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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

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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

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Futuri miglioramenti previsti (2)

• Replicare una sorgente impulsata per il
  microscopio
• Possibili sorgenti
• Cr Forsterite ?e1240 ?p1064 ?imp20-100fs
• frip60-150MHz
• Cr LISAF ?e860 ?p670 ?imp20-100fs
• frip80-150MHz
• Nd Glass ?e1054 ?p804 ?imp300fs
• frip140MHz
• Sostituire il Beam-Splitter con un Cold Mirror

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GRAZIE PER LATTENZIONE