Integration and synchronization of devices in a nonlinear microscopy setup

Abstract

Nonlinear microscopy is used for investigating a variety of biological systems and artificial materials. The contrast achieved in this imaging technique relies on the detected signals that arise from nonlinear interactions between a pulsed excitation beam and the specimen. As these nonlinear interactions are spatially localized, i.e., the signal originates only from a small focal volume, this technique permits intrinsic three-dimensional imaging. In order to acquire an image, either beam scanning with a fixed sample or sample scanning with respect to a fixed beam is used. In this Thesis, we developed and tested the performance of a home-built point-scanning nonlinear microscope. In the development, it is critical to integrate and synchronize the components of a nonlinear microscope. For example, as the excitation beam is focused and thus the spot covers only a very small area in the sample, a scanning stage is needed that is computer-controlled and synchronized with photodetectors that measure the intensity of the nonlinear signal. If the polarization of the excitation beam needs to be carefully defined and changed between measurements, a motorized wave plate also needs to be computer-controlled. Here, the controls of the scanning stage, detectors and the wave plate were integrated into a single program, and a functional user interface in the LabVIEW environment was developed. The program enables the adjustment of the measurement parameters, monitoring of the measurements and saving of the results. Furthermore, the program was modified so that additional devices can be integrated into it in the future, and thus the microscopy setup is not restricted only to the kinds of measurements shown in this Thesis. The performance of the developed program was tested using artificial nanosized gold particles. The microscopy setup and the controlling program were found to work properly and reliably, and the detected signals were confirmed to originate from second- and third-harmonic phenomena in which the output signal has a frequency of two or three times the original one, respectively. As expected for the second-harmonic response, samples with chiral properties had different responses for the two opposite circular polarizations. Additionally, we found that the third-harmonic response also exhibits different but weak responses under circular polarizations. Our results suggest the great potential of nonlinear microscopy for studying nonlinear circular dichroism effects in artificial nanomaterials.

Epälineaarista mikroskopiaa, jossa mitattava signaali syntyy fokusoidun pulssitoimisen lasersäteen ja näytteen välisessä epälineaarisessa vuorovaikutuksessa, käytetään sekä biologisten systeemien että synteettisten materiaalien tutkimuksessa. Epälineaarisissa prosesseissa vaste on peräisin hyvin pienestä näytetilavuudesta, mikä mahdollistaa kolmiulotteisen kuvantamisen. Koska epälineaarisessa mikroskoopissa käytetään fokusoitua lasersädettä, näytettä täytyy liikuttaa mittauksen aikana suhteessa säteeseen tai päinvastoin. Tässä diplomityössä kehitettiin ja testattiin käyttöliittymä itse rakennettuun epälineaariseen mikroskooppiin. Käyttöliittymää toteutettaessa on tärkeää ottaa huomioon, että siihen liitettyjen laitteiden, kuten näytteensiirtoalustan ja epälineaarisia signaaleja mittaavien fotoni-ilmaisimien, tulee toimia oikea-aikaisesti suhteessa toisiinsa. Myös herätekentän polarisaatiotilan muuttamiseen käytettävän polarisaattorin ohjaus voidaan yhdistää samaan ohjelmaan näytealustan ja ilmaisimien kanssa, kuten tässä työssä tehtiin. LabVIEW-ympäristössä luodun ohjelman avulla voidaan säätää mittausparametreja, tarkkailla mittauksen etenemistä ja tallentaa tulokset. Ohjelma toteutettiin siten, että uusien ominaisuuksien ja laitteiden lisääminen siihen on mahdollista myöhemminkin, koska kyseistä mikroskooppia saatetaan tulevaisuudessa käyttää myös muunlaisiin mittauksiin kuin mihin tässä työssä on keskitytty. Toteutetun ohjelman toimintaa tutkittiin mittaamalla kullasta valmistettujen nanokokoluokan näytteiden epälineaarisia vasteita. Mikroskooppi ja kehitetty ohjelmisto todettiin toimiviksi, luotettaviksi sekä helppokäyttöisiksi. Mittauksissa varmistettiin, että epälineaariset signaalit aiheutuvat taajuudenkahdennuksesta ja -kolmennuksesta, jolloin syntyvän säteilyn taajuus on kaksin- tai kolminkertainen alkuperäisen herätekentän taajuuteen nähden riippuen kummasta ilmiöstä on kysymys. Taajuudenkahdennuksen tapauksessa kiraalisten näytteiden vaste oli oletetusti erilainen oikea- ja vasenkätisesti ympyräpolarisoiduille herätekentille. Lisäksi huomasimme, että myös taajuuden-kolmennuksen tapauksessa havaitaan sama ilmiö, joskin heikkona. Tämä antaa viitteitä siitä, että tulevaisuudessa kyseisen kaltaisia näytteitä voidaan tutkia epälineaaristen vasteiden avulla.