Geri Dön

Advanced optical imaging with scattering lenses

Saçılım mercekleri ile gelişmiş optik görüntüleme

PDF İndir

  1. Tez No: 914741
  2. Yazar: HASAN YILMAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALLARD PIETER MOSK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: University of Twente
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 118

Özet

Bu tezde, düzensiz fotonik ortamdan rastgele ışık saçılmasından yararlanan odaklama ve yüksek çözünürlüklü optik görüntüleme uygulamaları için tutarlı ışığın uzamsal kontrolüne dayanan yeni gelişmiş optik yöntemler gösterilmiştir. Bu bölümde, bu tezdeki tüm çalışmalar özetlenmiş ve yöntemlerimizin daha da geliştirilmesi için geleceğe yönelik yönergeler verilmiştir. Deneysel gürültünün varlığında tutarlı ışığın saçılma ortamından optimum şekilde odaklanması gösterilmiştir. Dalga cephesi şekillendirme deneylerinde gürültü, numune boyunca iletilen ışık alanı fazında ölçüm hatalarına neden olmaktadır. İletilen ışık alanındaki optimum fazın ölçümündeki hataları en aza indirmek için iki aşamalı bir optimizasyon prosedürü kullanılmıştır. İki aşamalı bir optimizasyon prosedürünün kamera okuma gürültüsünü bastırdığı ve deneyi atış gürültüsü sınırlı bir rejime getirdiği bulunmuştur. Bu nedenle, bir dalga cephesi şekillendirme deneyinin iki aşamalı bir optimizasyon prosedürü ile her zaman atış gürültüsü sınırlı olduğu sonucuna varılmıştır. Güçlendirme faktörünün, bir dalga cephesi şekillendirme deneyinde tespit edilen toplam fotoelektron sayısının karekökü ile orantılı olduğu gösterilmiştir. Saçılma ortamının bulutlar veya biyolojik doku gibi dinamik olduğu durumlarda, tespit edilebilen toplam foton sayısı (foton bütçesi) temelde ortamın ve lazer gücünün dekorrelasyon süresi ile sınırlıdır ve bu nedenle atış gürültüsü temelde ölçülebilir bilgi yoğunluğunu sınırlamaktadır. Sonuçlarımız, dalga cephesi şekillendirme deneylerine bilgi teorisi açısından yeni bir bakış açısı getirmektedir. Yüksek indeksli silikon (Si) veya galyum fosfit (GaP) substratlar, yüksek çözünürlüklü katı daldırma mikroskopisinde kullanılan temel malzemelerdir [1-6]. Görünür ışıkla 100 nm'nin altında çözünürlük sağlayan bir saçıcı katı daldırma merceği (SSIL) bildirilmiştir. SSIL'in yüksek çözünürlüğü, rastgele ışık saçılması yoluyla yüksek indeksli alt tabakaya yüksek iç açıların enjekte edilmesinden kaynaklanmaktadır. Ancak, daha önce kullanılan SSIL, optik olarak kalın saçılma tabakası nedeniyle çok verimsizdir. Cilalanmamış pürüzlü bir yüzeyin yüksek iç açılı saçılma için yeterli olup olamayacağı sorusu irdelenmiştir. Şimdiye kadar SSIL'leri karakterize etmek için uygun bir yöntem bulunmamaktadır. Yüksek indeksli alt tabakaların yüksek iç açılı saçılımının ölçülmesini sağlayan yeni bir optik karakterizasyon yöntemini geliştirmiş bulunmaktayız. Cilalanmamış pürüzlü bir yüzeye sahip bir SSIL'in, 100 nm altı optik görüntüleme için en az kalın bir saçılma katmanına sahip bir SSIL kadar iyi olduğu doğrulanmıştır. Eş zamanlı olarak geniş alan ve yüksek çözünürlüklü floresan görüntüler üreten benek korelasyonu çözünürlük artırma (SCORE) görüntülemesini geliştirmiş bulunmaktayız. SCORE, floresan bir nesne üzerinde yüksek çözünürlüklü bir benek deseninin taranması için optik bellek etkisi olarak bilinen benek korelasyon etkisinden yararlanan bir taramalı optik mikroskopi yöntemidir. SCORE'un yüksek çözünürlüğü, saçılma tabakasına sahip bir galyum fosfit (GaP) alt tabakasından oluşan katı bir daldırma ortamı ile üretilen çok ince benek desenlerinden kaynaklanmaktadır. SCORE'un geniş alanı, algılama optiklerinin geniş görüş alanından kaynaklanmaktadır. Özünde SCORE, geliştirdiğimiz yeni bir faz alma algoritmasını kullanan bir hesaplamalı görüntüleme yöntemidir. Daha önce bildirilen benzer faz alma algoritmaları, durgunluk sorununa veya önemsiz çevirme ve ötelemelere neden olan belirsizliklere maruz kalmaktadır. SCORE'da, karmaşık nesne yapıları için bile benzersiz bir çözüm sağlayan algoritmamız için geleneksel görüntüleri ekstra bir bilgi olarak kullanılmaktadır. SCORE, optik sapmalara veya kaymalara karşı dayanıklıdır. Benek desenlerinin istatistiksel doğası, ortam koşulları altında sapmasız, yüksek çözünürlüklü görüntüleme sağlamaktadır. SCORE'un yüksek çözünürlüğünü daha da iyileştirmeyi amaçlayarak, saçılma ortamından periyodik olarak desenlenmiş ışık aydınlatmasına dayanan yeni bir yüksek çözünürlüklü floresan görüntüleme yöntemini geliştirerek sunmuş bulunuyoruz. Geniş alanlı ve yüksek kontrastlı floresan görüntüleme yöntemimiz, nanoyapıların yüzeylerinin ve arayüzlerinin Abbe-altı çözünürlüklü görüntülerini sağlamaktadır ve 75 nm'lik teorik bir çözünürlüğe sahiptir. İlk demonstrasyonumuzda hem çözünürlük hem de kontrastta önemli bir gelişmeyi göstermiş olsak da henüz teorik sınıra ulaşmış değiliz. Bir saçılma ortamı boyunca dalga cephesi şekillendirmede gürültünün etkisi incelenmiştir. Dijital mikro-ayna cihazlarının (DMD) ve yeni dalga cephesi kontrol düzenlerinin [17] ortaya çıkmasıyla, dalga cephesi şekillendirme deneyleri büyüklük sırasına göre hızlandırılabilmektedir. Gelecekte, algılamadaki entegrasyon süresinin deneylerin hızının sınırlayıcı faktörü olduğu bir rejimde, biyolojik doku veya bulutlar gibi dinamik saçılma ortamları yoluyla ışık yayılımının kontrolünün bilgi teorisi sınırlamaları incelenebilir. Saçılma ortamının kuantum-güvenli kimlik doğrulama için fiziksel olarak klonlanamayan bir fonksiyon (PUF) olarak kullanılabileceği bildirilmiştir. Dalga cephesi şekillendirme veya tek fotonların dijital optik faz konjugasyonunun temel bilgi teorisi çalışması, saçılma ortamı ile kuantum güvenli kimlik doğrulama gibi uygulamalar açısından son derece ilgi çekicidir. Yüksek indeksli bir alt tabaka ile saçılma katmanlarının yüksek iç açılı saçılmasını ölçmek için yeni bir yöntemi geliştirmiş bulunmaktayız. Gelecekte, yöntemimiz güçlü saçılma ortamlarının etkin indeksini ölçmek için kullanılabilecektir. Optik iletim matrisi ölçümlerinde güçlü bir şekilde saçılan bir ortamın iletim özdeğerlerinin istatistiklerini anlamak açısından etkin indeksin bilinmesi son derece önemlidir. Yeni karakterizasyon yöntemimiz, güçlü saçılma ortamlarının optik iletim matrislerinin istatistiklerine ışık tutabilecektir. Nanoyapıları geniş bir görüş alanı ve yüksek çözünürlükle eşzamanlı olarak görüntülemek için SCORE geliştirilmiştir. Yöntemimiz uyarılmış emisyon tükenmesi (STED) mikroskopisi ile birleştirilebilir [23, 24]. Özünde, bir benek deseni, GaP saçıcı katı daldırma merceğindeki birkaç çarpıtılmış çok ince çörek şekilli desen içermektedir. Bir pompa-prob ışını ile STED sinyali geniş alanda tespit edilebilmektedir. STED ile bir SCORE prosedürü, Abbe-altı çözünürlük boyutuna sahip keskin bir tepe ile STED benek deseninin otokorelasyon fonksiyonunu sağlayabilecektir. Çok ince bir benek deseni kullanmanın avantajı, tipik STED mikroskopisine kıyasla daha düşük pompa yoğunlukları ile yüksek çözünürlük olacaktır. Bir saçılma ortamı aracılığıyla periyodik desen aydınlatmasına dayanan yeni yüksek çözünürlüklü optik görüntüleme yöntemimizin ilk sonuçları sunulmuştur. Gelecekte, yöntemimizin tam potansiyelini keşfetmek için veri analizi prosedürü geliştirilebilecektir. Yeşil ışık aydınlatması ile yaklaşık 75 nm'lik bir çözünürlük, yeterli bir sinyal-gürültü oranı ile teorik olarak mümkündür. SCORE görüntüleme için gösterdiğimiz üzere, teorik sınırlamaları tahmin etmek için dağınık yapılı aydınlatma görüntülemenin kapsamlı bir bilgi teorisi analizi yapılabilecektir.

Özet (Çeviri)

In this thesis we have demonstrated new advanced optical methods based on spatial control of coherent light for focusing and high-resolution optical imaging applications that bene fit from random light scattering through disordered photonic media. In this chapter we summarize all the research in this thesis and we give future directions to further advance our methods. We have demonstrated optimal focusing of coherent light through scattering media in the presence of experimental noise. In wavefront shaping experiments, noise causes measurement errors in the phase of the transmitted light fi eld through the sample. We used a two-step optimization procedure to minimize the errors in the measurement of the optimal phase in the transmitted light fi eld. We found that a two-step optimization procedure suppresses the camera readout noise and brings the experiment into a shot-noise limited regime. Therefore we concluded that a wavefront shaping experiment is always shot-noise limited with a two-step optimization procedure. We demonstrated that the enhancement factor is proportional to the square root of the total number of photoelectrons detected in a wavefront shaping experiment. In cases where the scattering medium is dynamic such as clouds or biological tissue, the total number of photons (photon budget) that can be detected is fundamentally limited by the decorrelation time of the medium and laser power, therefore shot-noise fundamentally limits the measurable information density. Our results bring new insights to wavefront shaping experiments from an information-theoretical point of view. High-index substrates of silicon (Si) or gallium phosphide (GaP) are essential materials for high-resolution solid immersion microscopy. A scattering solid immersion lens (SSIL) has been reported which enables sub-100 nm resolution with visible light. The high resolution of SSIL is due to injection of high internal-angles into the high-index substrate via random light scattering. However, the previously used SSIL is very inefficient due to the optically thick scattering layer. We addressed the question whether an unpolished rough surface could be suffcient for high internal-angle scattering. Until now there was no convenient method to characterize SSILs. We have developed a new optical characterization method that enables measurement of high internal-angle scattering of high-index substrates. We have con firmed that a SSIL with an unpolished rough surface is at least as good as a SSIL with a thick scattering layer for sub-100 nm optical imaging. We have developed speckle correlation resolution enhancement (SCORE) imaging that simultaneously produces wide- field and high-resolution fluorescence images. SCORE is a scanning optical microscopy method that bene fits from a speckle correlation effect, known as the optical memory effect to scan a high-resolution speckle pattern on a fluorescent object. The high-resolution of SCORE is due to very fine speckle patterns that are generated by a solid immersion medium which is made of a gallium phosphide (GaP) substrate with a scattering layer. The wide- field of SCORE is due to wide-fi eld of view of the detection optics. In essence, SCORE is a computational imaging method that uses a new phase retrieval algorithm that we have developed. Previously reported similar phase retrieval algorithms suffer from ambiguities that causes stagnation problem or trivial flips and translations. In SCORE, we use conventional images as an extra information for our algorithm which provides a unique solution even for complex object structures. SCORE is robust against optical aberrations or drifts. The statistical nature of speckle patterns enables aberration-free, high-resolution imaging under ambient conditions. Seeking to improve even the high resolution of SCORE, we have developed and presented a new high-resolution fluorescence imaging method that is based on periodically patterned light illumination through scattering medium. Our wide-field and high-contrast fluorescence imaging method enables sub-Abbe-resolution images of surfaces and interfaces of nanostructures and it has a theoretical resolution of 75 nm. In our initial demonstration we have demonstrated a signifi cant improvement both in resolution and contrast, however we have not reached the theoretical limit yet. We have studied the effect of noise in wavefront shaping through a scattering medium. With the emergence of digital micromirror devices (DMD) and new wavefront control schemes, wavefront shaping experiments can be accelerated by orders of magnitude. In future, one can study information-theoretical limitations of the control of light propagation through dynamic scattering media such as biological tissue or clouds in a regime where the integration time in the detection is the limiting factor of the speed of the experiments. It has been reported that scattering medium can be used as a physically unclonable function (PUF) for quantum-secure authentication. A fundamental information theoretical study of wavefront shaping or digital optical phase conjugation of single photons is extremely interesting for applications such as quantum secure authentication with scattering media. We have developed a new method to measure high internal-angle scattering of scattering layers with a high-index substrate. In future, our method can be used to quantify the effective index of strongly scattering media. It is extremely important to know the effective index to understand the statistics of transmission eigenvalues of a strongly scattering medium in optical transmission matrix measurements. Our new characterization method can shed light to statistics of optical transmission matrices of strongly scattering media. We have developed SCORE to image nanostructures simultaneously with a wide field of view and high resolution. Our method can be combined with stimulated emission depletion (STED) microscopy. In essence, a speckle pattern contains several distorted very fi ne doughnut shaped patterns in a GaP scattering solid immersion lens. With a pump-probe beam, the STED signal can be detected in wide-fi eld. A SCORE procedure with STED can enable an autocorrelation function of the STED speckle pattern with a sharp peak with sub-Abbe-resolution size. The advantage of using a very fi ne speckle pattern will be a high-resolution with lower pump intensities compared to typical STED microscopy. We presented initial results of our new high-resolution optical imaging method that is based on periodic pattern illumination through a scattering medium. In future, the data analysis procedure can be improved to explore the full potential of our method. A resolution of about 75 nm with green light illumination is theoretically possible with a sufficient signal-to-noise ratio. As we demonstrated for SCORE imaging, a thorough information theoretical-analysis of scattered structured illumination imaging can be done to estimate the theoretical limitations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    659709

    Mikroskobik gölge görüntüleme tabanlı mikroakışkan sitometrisi

    Başlık çevirisi yok

    EKİN KERİMOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    BiyolojiBaşkent Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET YÜKSEKKAYA

  2. Tez No

    933544

    Utilization Carbon quantum dots derived from organic waste materials: Synthesis, characterization, and application for the detection of dopamine and serotonin by using UV-VIS spectroscopy

    Organik atık malzemelerden elde edilen karbon kuantum noktalarının kullanımı: UV-VIS spektroskopisi kullanılarak dopamin ve serotonin tespiti için sentez, karakterizasyon ve uygulama

    SEYED HOSSEİN MİRHOSSEİNİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    İzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET AYKAÇ

  3. Tez No

    46368

    Gemilerin ısar ile görüntülenmesinde radar saçılma yüzeylerinin fizik optik yardımıyla modellenmesi

    Başlık çevirisi yok

    E.ELİF TEPELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. ERCAN TOPUZ

  4. Tez No

    444582

    Graphene-based electrically tunable terahertz optoelectronics

    Grafen-tabanlı elektrik ayarlı terahertz optoelektroniği

    NURBEK KAKENOV

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. COŞKUN KOCABAŞ

  5. Tez No

    865064

    Harmonik radar ve makine öğrenmesi kullanılarak doğrusal olmayan saçıcıların geliştirilmiş mikrodalga görüntülemesi

    Improved microwave imaging of nonlinear scatterers using harmonic radar and machine learning

    ONUR ARI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET KIZILAY

    DOÇ. DR. CÜNEYT UTKU

Geri Dön