Thermal phase shifter design, optimisation and implementation for an on-chip structured illumination microscope

In recent years, many steps for ward have been made in the field of optical microscopy, in particular with regard to the so-called microscopes on-chip (MOCs). Such devices respond to the ever increasing demand for compact, easy to use and portable devices that can be used for point of care diagnostics, environmental monitoring, field analysis and many other applications. Femtosecond Laser Micromachining (FLM) is a recent fabrication technique that allows to realise complete 3D optofluidics lab-on-chip systems. This makes it particularly suitable for manufacturing MOC devices. In fact, it allows the realisation of both integrated optical elements for the illumination section and the microfluidics channels for sample transport and manipulation. Among the existing microscopy techniques that can be integrated in a lab-on-chip device, light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) has been one of the most promising so far. It consists in the illumination of the sample with a plane of light that is swept across the specimen to obtain a complete 3D reconstruction. The low photo-toxicity and photo-bleaching of such technique are very appealing for 3D biological imaging of living samples, however, the conventional resolution of LSFM does not allow for imaging of cells at sub-cellular resolution. To cope with this problem, LSFM can be combined with structured illumination microscopy (SIM), a super-resolution technique that enhances the lateral resolution by simply illuminating the sample with a pattern of light and translating it across the focal plane a certain number of times. In typical bulk setups for SIM, the structured illumination is created by the interference of multiple laser beams and the pattern translation is achieved inducing a phase shift between the beams by mechanically changing their relative optical path. This thesis work has been carried on in the context of an European project which aims to the realisation of an integrated light-sheet SIM microscope. The illumination pattern can be obtained exploiting the interference of the output beams of an integrated beam splitter while thermal phase shifters allow the pattern translation on the sample. Thermal shifters are commonly used in integrated optics for thermos-optics modulators, however, the induced phase shift dynamics for FLM based thermal shifters is quite slow for high throughput fast imaging applications. In this work, I present a complete optimisation process of the illumination section of such SIM microscope on-chip: the thermal shifter dynamic response is optimised to obtain a fast and stable translation of the illumination pattern. Numerical simulations are carried out to design the optimal thermo-optical system and different devices are implemented using FLM to experimentally verify their performance.

Negli ultimi anni sono stati fatti molti passi avanti nel campo della microscopia ottica, in particolare per quanto riguarda i cosiddetti microscopi su chip (MOCs). Tali dispositivi rispondono alla domanda crescente di microscopi compatti, facili da usare e portatili che possono essere utilizzati per la diagnostica e analisi sul campo, per il monitoraggio ambientale e in molte altre applicazioni. La Microlavorazione con Laser a Femtosecondi (FLM) è una recente tecnica di fabbricazione che per mette di realizzare dei completi sistemi labon-chip optofluidici 3D. Questo la rende particolarmente adatta per la fabbricazione di dispositivi MOC. Tale tecnica consente infatti la realizzazione sia dell’ottica integrata per la sezione di illuminazione, sia dei canali microfluidici per il trasporto e la manipolazione dei campioni. Tra le tecniche di microscopia esistenti che possono essere integrate in un dispositivo lab-on-chip, la light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) è una delle più promettenti. Nella LSFM l’illuminazione è composta da un piano di luce che viene fatto passare attraverso il campione per ottenere una completa ricostruzione 3D. La bassa fototossicità e la debole inibizione della fluorescenza di tale tecnica rappresentano un fattore essenziale per l’imaging 3D di campioni biologici vivi, tuttavia, la risoluzione convenzionale della LSFM non consente l’imaging di cellule a risoluzione sub-cellulare. Per far fronte a questo problema, la LSFM può essere combinata con la structured illumination microscopy (SIM), una tecnica di super risoluzione che migliora la risoluzione laterale semplicemente illuminando il campione con un pattern di luce e traslandolo sul piano focale un certo numero di volte. Nei tipici setup da banco per la SIM, l’illuminazione strutturata viene creata dall’interferenza di più fasci laser e la traslazione del pattern viene ottenuta inducendo uno sfasamento tra i fasci, cambiando meccanicamente il loro percorso ottico relativo. Questo lavoro di tesi è stato svolto nell’ambito di un progetto europeo che mira alla realizzazione di un microscopio light-sheet SIM integrato. L’illuminazione strutturata può essere ottenuta sfruttando l’interferenza dei fasci di uscita di un beam splitter integrato mentre degli sfasatori termici, consentono la traslazione del pattern sul campione. Gli sfasatori termici sono comunemente utilizzati nell’ottica integrata per i modulatori termo-ottici, tuttavia, la dinamica dello sfasamento indotto per dispositivi realizzati con FLM è piuttosto lenta rispetto ai requisiti delle applicazioni di microscopia. In questo lavoro, presenterò un processo di ottimizzazione della sezione di illuminazione di tale microscopio SIM su chip: la risposta dinamica dello sfasatore termico è stata ottimizzata per ottenere una traslazione rapida e stabile del pattern di illuminazione. Delle simulazioni numeriche sono state effettuate per progettare il sistema termo-ottico ottimale, in seguito, diversi dispositivi sono stati realizzati con la FLM per verificane sperimentalmente le prestazioni.