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Digital Light Deflection and Electro-Optical Laser Scanning for STED Nanoscopy

Marquard, Jonas

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Abstract

Electro-optical deflectors provide a very attractive means of laser scanning in coordinate-targeted super-resolution microscopy due to their high scanning precision and high scanning velocity. Setups equipped with electro-optical deflectors demonstrate especially high resolving powers, fast imaging and reduced photobleaching.

Two major shortcomings limit a widespread application of such devices. Their polarizing properties prevent de-scanning causing either a loss in signal or an increased background signal and the restricted deflection angles severely narrow the field of view.

Herein, I report solutions to both of these problems. The polarization issue is evaded via a passive polarization rectifier that allows unpolarized light to pass the laser scanner. The field of view is nearly doubled through a digital light deflector composed of a Pockels cell and a Wollaston prism. This principle could be extended by N stages of the same kind yielding a field of view enlargement by a factor of 2^N. Thus, the work at hand paves the way for ultrafast electro-optical laser scanning with a large field of view.

Translation of abstract (German)

Aufgrund ihrer präzisen und äußerst schnellen Laserstrahlablenkung eignen sich elektrooptische Deflektoren im besonderen Maße für die Anwendung in hochauflösenden Laserscanning-Mikroskopen jenseits der Beugungsgrenze. Versuchsaufbauten mit elektrooptischen Deflektoren zeichnen sich durch besonders hohes Auflösungsvermögen, hohe Bildraten sowie der Reduktion von Bleichprozessen aus.

Zwei wesentliche Nachteile verhindern jedoch die weite Verbreitung solcher Scanner. Die polarisierenden Eigenschaften der dabei eingesetzten Kristalle bedingen entweder einen deutlichen Signalverlust oder einen Anstieg des Hintergrundsignals. Des Weiteren werden die Ausmaße des Bildfelds durch die kleinen Ablenkwinkel stark eingeschränkt.

In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich Lösungen für beide Probleme. Ein passiver Polarisations-Gleichrichter erlaubt auch unpolarisierter Strahlung, den Laserscanner in zwei eng beieinander liegenden Strahlen zur passieren. Das Bildfeld des elektrooptischen Deflektors wird durch einen digitalen Strahlablenker mithilfe von Pockelszellen nahezu verdoppelt. Dieses Verfahren kann durch N solcher Elemente erweitert werden, sodass sich das Bildfeld theoretisch um den Faktor 2^N vergrößern lässt. Somit liefert diese Arbeit die Grundlagen für einen elektrooptischen Laserscanner, der sehr schnell große Bildfelder abtasten kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hell, Prof. Dr. Stefan W.
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 13 December 2017
Date Deposited: 12 Jan 2018 08:56
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Bioquant
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
570 Life sciences
600 Technology (Applied sciences)
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