Fiber optics point-source for digital lensless holographic microscopy

Abstract

El trabajo investigativo llevado a cabo para la producción de esta tesis de maestría tiene como objetivo fundamental el desarrollo de una alternativa tecnológica al sistema de iluminación pinhole comúnmente empleado en microscopía holográfica digital sin lentes (MHDSL). El sistema de iluminación pinhole tiene como principal problema el alto costo de asociado a la complejidad de su fabricación e implementación. Como alternativa de solución el desarrollo de una fuente puntual a fibra óptica para MHDSL es detalladamente descrito a lo largo de este trabajo. El desarrollo de fuentes puntuales a fibra óptica para MHDSL propuesto se basa en la creación de extremos conificados en fibras ópticas convencionales. En el análisis geométrico de la apertura numérica de dichas fibras ópticas con extremos cónicos se presenta una metodología de diseño modelada por una ecuación paramétrica, la cual permite sintonizar la apertura numérica como función del ángulo de conicidad de la punta de la fibra. Adicionalmente, se propone y se evalúa un método de fabricación por ataque químico, en el cual se consideran los efectos de largos períodos de difusión de ácido fluorhídrico en una capa de protección de aceite con el objetivo de producir puntas cónicas en fibras ópticas con ángulos grandes y con buen acabado superficial. Un análisis en simulación de trazado de rayos y de propagación ondulatoria, permite comprobar la dependencia de la apertura numérica con el ángulo de conicidad de la punta de las fibras ópticas. Se presenta, además, la evidencia experimental donde se acopla luz de un láser a las fibras ópticas modificadas y se evalúa la apertura numérica. Finalmente, se realiza una completa caracterización de la resolución y las fibras ópticas cónicas son exitosamente implementadas como fuentes puntuales de ondas esféricas para MHDL.

Abstract: The undertaken research work for this thesis dissertation aims for a technological alternative to the pinhole illumination system commonly employed in digital lenseless holographic microscopy (DLHM). This traditional method presents as a main difficulty the high fabrication cost and implementation of a hole of such small dimensions. As an alternative solution to this problem, a point-source based on fiber optics is developed in this work. Fiber optics based point-source for DLHM here proposed relies on the fabrication of conical tips in conventional optical fibers, In the analysis of the dependency of the numerical aperture on the conical geometry of the cone tips a simple and compact design equation to tailor the numerical aperture of the cone-shaped optical fibers is presented. Additionally, a chemical etching fabrication method and model that considers the long term diffusion effects of hydrofluoric acid on a protective oil layer is proposed and the scope is to obtain tapered tips with very smooth surface and large conical angles. Ray tracing and wave propagation studies were carried out and allowed us to prove the numerical aperture ability to be tailored and dependency on the cone angle of a step-index optical fiber. The results of this studies were experimentally confirmed by coupling laser light into the chemically etched cone tips and measuring the numerical aperture. Finally, these cone tips were implemented as point sources of spherical waves for DLHM. The resolution characterization of the DLHM with cone tips was carried out. The results were very encouraging and supported the viability of the cone tips fiber as a technological alternative to the pinhole illumination system for DLHM.