Laser beam characterization using modal analysis and its application in ultramicroscopy imaging techique

Abstract

Dieses Projekt konzentriert sich auf die Umwandlung eines multimodalen Laserstrahls in einen konstruierten Strahl, der ein gaußsches Profil annähert.Um dies zu erreichen, wurde von Dr. Saiedeh Saghafi in der Gruppe für Meso-Asphärische Optik & Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie ein mathematisches Modell für multimodale Laserstrahlen entwickelt. Dieses Modell umfasst eine Summe von Gauß-Moden, höherer Laguerre-Gauß-Moden und flachgaußförmigen Moden sowie Parameter, die die Beiträge der einzelnen Moden definieren.Die erste Phase dieser Arbeit beinhaltete die Auswertung dieses analytischen Modells in Mathematica, gefolgt von einer experimentellen Validierung mit einem diodegepumpten Festkörperlaser (DPSS), der einen multimodalen Strahl emittiert. Die Strahlprofile wurden sowohl im Nahfeld als auch im Fernfeld gemessen. Mit Unterstützung meines Betreuers und in Zusammenarbeit mit wichtigen Teammitgliedern identifizierten wir die einzelnen Moden im Modell und quantifizierten deren Anteile. Ich verglich die theoretischen Intensitätsverteilungen des Strahls mit den gemessenen Daten, was die Grundlage für das Design eines Strahlmodulators durch Dr. Saghafi zur Unterdrückung höherer Moden durch Beugung, Brechung und konstruktive Interferenz bildete. Dieser Modulator wandelt den multimodalen Strahl erfolgreich in einen quasi-gaußschen Strahl um, der anschließend in einem Lichtscheibengenerator verwendet wird, um ein dünnes Lichtband für die Ultramikroskopie zu erzeugen.Zur Bewertung der Systemleistung wurden Tests an chemisch geklärten biologischen Proben, einschließlich Drosophila (Fruchtfliege) und Abschnitten von Mäusegehirnen, durchgeführt, die vielversprechende Ergebnisse zeigten. Dieser kostengünstige Ansatz hat das Potenzial, die Gesamtkosten für lichtscheibenbasierte Bildgebungstechniken erheblich zu senken.

This project focuses on converting a multimode laser beam into a constructed beam that approximates a Gaussian profile.To achieve this, a mathematical model for multimode laser beams was developed by Dr. Saiedeh Saghafi in the Meso-Asphärische Optik & Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie group. This model integrates a summation of Gaussian modes, higher-order Laguerre-Gaussian modes, and flattened-Gaussian modes, with parameters that define each mode’s contribution.The initial phase of this thesis involved evaluating this analytical model in Mathematica, followed by experimental validation using a Diode-Pumped Solid-State (DPSS) laser that emits a multimode beam. The beam profiles were measured in both near-field and far-field conditions. With guidance from my supervisor and collaboration with key team members, we identified the individual modes in the model and quantified their contributions. I compared the theoretical beam intensity distributions to the measured data, which informed the design of a beam modulator by Dr. Saghafi to suppress higher-order modes via diffraction, refraction, and constructive interference. This modulator successfully converts the multimode beam into a quasi-Gaussian beam, which is then used in a light-sheet generator to create a thin sheet of light suitable for ultramicroscopy.To assess system performance, tests were conducted on chemically cleared biological samples, including Drosophila (fruit fly) and sections of mouse brain, yielding promising results. This cost-effective approach shows potential for significantly reducing expenses in light-sheet-based imaging techniques.