Use of photonic lanterns in light sheet microscopy applications

Abstract

Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) has proven to be a very useful technique at imaging living samples due to its low radiation doses and image acquisition speed. The light-sheet is usually produced by laser illumination but recent investigation has improved this technique by generating this laminar excitation utilizing an extended source and a photonic lantern (PL). By eliminating the temporal coherence that lasers provide, different interference phenomena such as speckles or striation are removed from the obtained images, apart from reducing the global cost. In this project we present a simulated analysis of this techniques in order to improve its design and give a wider understanding of its performance. The basic principles of LSFM design are explained, concerning both excitation and detection paths, to introduce a realistic LSFM illumination system supported, analyzed and improved by different realistic simulations. Then, the PL device is presented as a novel technique to produce light-sheet together with and extended source such as LEDs. The output of a photonic lantern made of 7 optical fibers has been simulated and introduced to the set-up to characterize the resulting light-sheet. We also present the simulations of different realistic PL imperfections that can occur due to its fabrication procedure, or set-up errors. The obtained illuminations are analyzed in each case to appreciate and evaluate its effects. Finally, a variation of the PL morphology is proposed to improve the uniformity of the illumination sheet.

Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) ha demostrado ser una técnica muy útil para obtener imágenes de muestras vivas debido a sus bajas dosis de radiación y la velocidad de adquisición de imágenes. La lámina de luz generalmente se produce mediante iluminación láser, pero una investigación reciente ha mejorado esta técnica al generar esta excitación laminar utilizando una fuente extendida y una photonic lantern (PL). Al eliminar la coherencia temporal que proporcionan los láseres, se eliminan diferentes fenómenos de interferencia, como manchas o estrías, de las imágenes obtenidas, además de reducir el coste global. En este proyecto presentamos un análisis simulado de estas técnicas para mejorar su diseño y dar una comprensión más amplia de su rendimiento. Se explican los principios básicos del diseño de LSFM, tanto en lo que respecta a la rama de excitación como la de detección, para introducir un sistema de iluminación realista de LSFM analizado y optimizado por diferentes simulaciones realistas. Luego, el dispositivo de PL se presenta como una técnica novedosa para producir láminas de luz junto con una fuente extendida como un LED. La salida de una PL hecha de 7 fibras ópticas se ha simulado e introducido en la configuración para caracterizar la lámina de luz resultante. También presentamos las simulaciones de diferentes imperfecciones realistas de la PL que pueden ocurrir debido a su procedimiento de fabricación o errores de alineación. Las iluminaciones obtenidas se analizan en cada caso para apreciar y evaluar sus efectos. Finalmente, se propone una variación de la morfología PL para mejorar la uniformidad de la lámina de iluminación.

Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) ha demostrat ser una tècnica molt útil per obtenir imatges de mostres vives causa de les seves baixes dosis de radiació i la velocitat d'adquisició d'imatges. La làmina de llum generalment es produeix mitjançant il·luminació làser, però una investigació recent ha millorat aquesta tècnica al generar aquesta excitació laminar utilitzant una font estesa i una Photonic lantern (PL). A l'eliminar la coherència temporal que proporcionen els làsers, s'eliminen diferents fenòmens d'interferència, com taques o estries, de les imatges obtingudes, a més de reduir el cost global. En aquest projecte presentem una anàlisi simulat d'aquestes tècniques per millorar el seu disseny i donar una comprensió més àmplia del seu rendiment. S'expliquen els principis bàsics de el disseny de LSFM, tant pel que fa a la branca d'excitació com la de detecció, per introduir un sistema d'il·luminació realista de LSFM analitzat i optimitzat per diferents simulacions realistes. Després, el dispositiu de PL es presenta com una tècnica innovadora per produir làmines de llum juntament amb una font estesa com un LED. La sortida d'una PL feta de 7 fibres òptiques s'ha simulat i introduït en la configuració per caracteritzar la làmina de llum resultant. També es presenten les simulacions de diferents imperfeccions realistes de la PL que poden ocórrer a causa de la seva procediment de fabricació o errors d'alineació. Les il·luminacions obtingudes s'analitzen en cada cas per apreciar i avaluar-ne els efectes. Finalment, es proposa una variació de la morfologia PL per millorar la uniformitat de la làmina d'il·luminació.