Digital in-line holographic microscopy with various wavelengths and point sources applied to static and fluidic specimens [Elektronische Ressource] / presented by Martina Schürmann

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Martina Schürmannborn in Herford, GermanyOral examination: October 31st, 2007Digital In-Line Holographic Microscopywith Various Wavelengths and Point SourcesApplied to Static and Fluidic SpecimensThis dissertation was carried out at theInstitute of Physical ChemistryRefereesPriv. Doz. Dr. Michael HimmelhausandProf. Dr. Dr. Christoph CremerKirchhoff-Institute of PhysicsZusammenfassung: Holographie ist eine linsenfreie dreidimensionale Darstellungstech-nik, die bei Verwendung von sphärischen Wellen die Erstellung vergrößerter Abbildungenermöglicht. Da die Methode im Gegensatz zur herkömmlichen Mikroskopie linsenfreiarbeitet, hängt die erreichbare Auflösung allein von der Wellenlänge des verwendetenLichtes und dem räumlichen Detektionswinkel ab. Somit ist die Verwendung kurzerWellenlängen von Vorteil. In dieser Arbeit konnten Polystyrolkugeln der Größen 5.9,2.9, 0.752, 0.500 und 0.356 μm hochaufgelöst abgebildet werden. Des Weiteren wurdenFibroblasten von etwa 100 μm Ausdehnung und Lithographiestrukturen in verschiede-nen Formen und Größen aufgenommen. Durch den Einsatz einer Ölkammer mit einemhöheren Brechungsindex wurde eine signifikante Steigerung der numerischen Apertur unddamit der erreichbaren Auflösung erzielt.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Martina Schürmann
born in Herford, Germany
Oral examination: October 31st, 2007Digital In-Line Holographic Microscopy
with Various Wavelengths and Point Sources
Applied to Static and Fluidic Specimens
This dissertation was carried out at the
Institute of Physical Chemistry
Referees
Priv. Doz. Dr. Michael Himmelhaus
and
Prof. Dr. Dr. Christoph Cremer
Kirchhoff-Institute of PhysicsZusammenfassung: Holographie ist eine linsenfreie dreidimensionale Darstellungstech-
nik, die bei Verwendung von sphärischen Wellen die Erstellung vergrößerter Abbildungen
ermöglicht. Da die Methode im Gegensatz zur herkömmlichen Mikroskopie linsenfrei
arbeitet, hängt die erreichbare Auflösung allein von der Wellenlänge des verwendeten
Lichtes und dem räumlichen Detektionswinkel ab. Somit ist die Verwendung kurzer
Wellenlängen von Vorteil. In dieser Arbeit konnten Polystyrolkugeln der Größen 5.9,
2.9, 0.752, 0.500 und 0.356 μm hochaufgelöst abgebildet werden. Des Weiteren wurden
Fibroblasten von etwa 100 μm Ausdehnung und Lithographiestrukturen in verschiede-
nen Formen und Größen aufgenommen. Durch den Einsatz einer Ölkammer mit einem
höheren Brechungsindex wurde eine signifikante Steigerung der numerischen Apertur und
damit der erreichbaren Auflösung erzielt. Es konnte gezeigt werden, dass mittels gepul-
sterUV-undSynchrotron-VUV-StrahlungdigitaleIn-lineHolographieinSubmikrometer-
auflösung möglich ist. Erste Experimente zur Erweiterung der Methode in die vierte Di-
mension beinhalteten die Verfolgung von Tracerpartikeln wie Mikrokugeln und Öltropfen
in Flusskanälen. Neben der Verwendung von Lochblenden wurde auch die Eignung von
Lichtleiterspitzen als Punktquellen untersucht. Derartige Punktquellen können aufgrund
ihrer hohen Flexibilität auch in komplizierten Aufbauten eingesetzt werden und sind für
biologische Fragestellungen durch ihre in situ-Tauglichkeit besonders interessant.
Abstract: Holography is a lensless imaging technique with intrinsic three-dimensional
properties. Employing spherical waves enables the acquisition of magnified images. As
the method in contrast to conventional microscopy does not require lenses, the achievable
resolution only depends on the illumination wavelength and the solid detection angle.
Approaching short wavelengths is thus advisable. In this thesis, 5.9, 2.9, 0.752, 0.500
and 0.356 μm polystyrene beads could be resolved. Furthermore, fibroblast cells with
a diameter of about 100 μm and lithographic structures with random forms and shapes
were imaged. By introducing an oil chamber with a higher refractive index into the setup,
a significant increase of the numerical aperture and thus the achievable resolution was
obtained. Nanosecond UV and synchrotron picosecond VUV radiation were proven to
provide coherent illumination for in-line holographic microscopy measurements, enabling
submicron resolution. First experiments in extending the method towards the fourth
dimension included the tracking of tracer particles such as microspheres and oil droplets
in flow channels. In addition to the commonly used pinholes, optical fibers were tested
with respect to their suitability as alternative point sources. Due to their flexibility these
sources could be used in complicated measurement geometries. Furthermore, their ability
to be applied in situ makes them interesting for biological studies.Contents
Introduction 1
1 Theoretical Background 5
1.1 Basics of Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Principles of In-Line Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Kirchhoff’s Diffraction Theory . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Diffraction Theory of Image Formation . . . . . . . . . 11
1.2.3 Spherical Wave Generation . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Resolving Power of Image-Forming Systems . . . . . . 17
1.2.5 In-Line Holography with Spherical Waves . . . . . . . . 19
1.2.6 Resolution in In-Line Holography with Spherical Waves 23
1.3 Off-Axis Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 Fouriery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5 Recording Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6 Digital In-Line Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.7 Applications ofy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.8 Comparison of Holography to Other Microscopic Methods . . 43
1.9 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
iii Contents
2 Materials 49
2.1 Pinholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.1 Polystyrene Beads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.2 Fibroblast Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.3 Lithographic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.4 Microfluidic Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3 Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.1 Mechanical Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3 Resolution Enhancement in DIHM 67
3.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Digital In-Line Holographic Experiments . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1 Polystyrene Beads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.2 Fibroblast Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 Immersion Digital In-Line Holography . . . . . . . . . . . . . 83
3.4 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4 Digital In-Line Holography with Synchrotron Light 87
4.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Holographic Imaging of Tracer Particles in Flow Channels 99
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Polystyrene Beads in Fluidic Environments . . . . . . . . . . . 101
5.2.1 Beads in Shrinking Water Droplet . . . . . . . . . . . . 102Contents iii
5.2.2 Beads in Flow Cell - Short Exposure Times . . . . . . 104
5.2.3 Beads in Flow Cell - Long Exposure Times . . . . . . . 107
5.3 Oil-in-Water Emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4 Cyclohexane-in-Water Emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Holography with a Fiber Source 115
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.3 Optical Fibers as Alternative Point Sources . . . . . . . . . . 119
6.3.1 Polystyrene Beads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.2 Test Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.3 Fibroblast Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.4 Comparison of Optical Fibers and Pinholes . . . . . . . . . . . 124
6.5 Increasing the Fiber’s Numerical Aperture . . . . . . . . . . . 129
6.6 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7 Conclusion 133
List of Figures 137
Bibliography 141
Acknowledgement 153

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