Wavefront shaping for microscopic imaging of biological samples

Abstract

Imaging of biological samples is one of the driving application fields of optical microscopy. Although several other imaging techniques have been developed the simplicity, the effectiveness and the non-invasive nature of optical microscopy are the key factors of its widespread use in Biology. An important limiting factor for optical microscopy is the scattering of light as it propagates through biological tissue. The inherent random variations of the optical properties, lead to a diffusion dominated propagation that drastically limits the effective imaging range down to 1 mm. On the other hand, recent advances in the spatial modulation of the light beam that illuminates the sample combined with analysis of the detected light distribution have opened the way to beat the diffusion limit.Τhis PhD thesis was focused on leveraging the concept of the 'opaque lens' by utilizing engineered disorder in photonic structures. This involved developing novel scattering media and their integration with wavefront shaping into imaging modalities. Using this approach, we have reached to the development of a fully functional fluorescence microscope that, in several aspects, outperforms current instrumentation capable of performing in vivo fluorescence microscopy.

Η απεικόνιση των βιολογικών δειγμάτων αποτελεί ένα από τα κύρια πεδία εφαρμογών της οπτικής μικροσκοπίας. Παρά την ανάπτυξη διάφορων άλλων απεικονιστικών τεχνικών, η απλότητα, η αποτελεσματικότητα και ή μη- καταστροφική φύση της οπτικής μικροσκοπίας είναι οι κύριοι λόγοι για την ευρεία χρήση της στην Βιολογία. Ένας σημαντικός περιοριστικός παράγοντας της οπτικής μικροσκοπίας είναι η σκέδαση του φωτός καθώς αυτό διαδίδεται μέσα από τον βιολογικό ιστό. Οι εγγενείς τυχαίες διαταραχές των οπτικών ιδιοτήτων, οδηγούν σε διάδοση που κυριαρχείται από την διάχυση, η οποία περιορίζει δραστικά το βάθος απεικόνισης σε διαστάσεις του ενός χιλιοστού. Από την άλλη πλευρά, όπως προκύπτει από πρόσφατες μελέτες, το όριο που θέτει η διάχυση φαίνεται ότι μπορεί υπερνικηθεί συνδυάζοντας την χωρική διαμόρφωση της δέσμης που φωτίζει το δείγμα με την ανάλυση της κατανομής της ανιχνευόμενης δέσμης. H παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώθηκε στην αξιοποίηση της έννοιας του «αδιαφανούς φακού» με τη χρήσης τεχνητής αταξίας στιςφωτονικές δομές. Αυτό περιλάμβανε την ανάπτυξη νέων σκεδαστικών μέσων και την ενσωμάτωσή τους, σε συνδυασμό με τη διαμόρφωση μετώπου κύματος, σε τεχνικές απεικόνισης. Με αυτήν την προσέγγιση, καταφέραμε να αναπτύξουμε ένα πλήρως λειτουργικό μικροσκόπιο φθορισμού, το οποίο, σε αρκετές πτυχές, υπερέχει των υπαρχόντων οργάνων που είναι ικανά να εκτελούν in vivo μικροσκοπία φθορισμού.