INSTITUTO NACIONAL DE ASTROFISICA ÓPTICA Y ELECTRÓNICA ÓPTICA NO-LINEAL “CONTRASTE DE FASE NO LINEAL” Presenta: Gerardo Díaz González Profesor: Carlos G. Treviño Palacios

CONTENIDO Introducción Microscopio de Contraste de Fase de Zernike Contraste de Fase No-Lineal Otras Aplicaciones Productos comerciales

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INTRODUCCIÓN Los objetos transparentes sin teñir, tales como las células, representan un problema porque sus imágenes tienen muy poco contraste y son esencialmente invisibles en microscopia ordinaria de campo brillante. Aunque los objetos transparentes inducen desplazamientos de fase a la luz que incide en ellos, produciendo además dispersión y difracción, siguen siendo casi invisibles, porque el ojo no puede detectar diferencias en fase.

La técnica de contraste de fase, transforma estas diferencias en fase de la luz incidente sobre el objeto, en diferencias de amplitud en la imagen. Así, el objeto se hace visible sin necesidad de teñirlo. Esta técnica fue desarrollada en 1934 por el físico holandés Fritz Zernike, quien inventó el método del contraste de fase y lo aplicó en el microscopio de contraste de fase. La microscopía de contraste de fase es una técnica óptica para realzar el contraste, y se puede utilizar para producir imágenes de alto contraste de especímenes transparentes.

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MICROSCOPIO DE CONTRASTE DE FASE DE ZERNIKE La técnica de contraste de fase (o microscopio de contraste de fase) opera solamente sobre la fase de la onda de luz, a diferencia de otras técnicas de filtrado que trabajan con la amplitud de la onda.

En su tratamiento, Zernike encontró que un filtro de fase de π/2 colocado en el plano focal, alteraba la frecuencia cero de las componentes espectrales del objeto. En la mayoria de los libros de óptica general se hacen dos consideraciones para la técnica: 1) El filtro de fase se restringe a un valor de π/2, 2) Las variaciones en fase del objeto, (x,y), son pequeñas, menores a 0.1π rad.

La función de fase del objeto, donde el desplazamiento de fase promedio se ha omitido, es Expresándola como una serie de Taylor, y con las aproximaciones correspondientes, la función de fase del objeto de aproxima a:

La imagen producida por un microscopio convencional, en nuestra aproximación, tendría la siguiente distribución de intensidad: En el plano imagen del microscopio de contraste de fase, tendremos donde el término 2 ha sido despreciado debido a la consideración 2.

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CONTRASTE DE FASE NO LINEAL El material no-lineal es un Kerr El material no-lineal auto induce el cambio de fase

El medio no lineal, al ser de tipo Kerr, cambia su indice de refracción con la intensidad, por tanto donde Kerr Kerr saturable

La fase también depende de la intensidad. En el plano de Fourier la distribución de intensidad espacial produce un filtro de fase variando espacialmente. Puesto que el material no-lineal es puesto sobre el plano de Fourier, el filtro es De fase autoinducida Auto alineado De tiempo real

Material No-Lineal: Bacteriorrodopsina

Experimento

Resultados del experimento con Bacteriorrodopsina

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OTRAS APLICACIONES La técnica de contraste de fase, no sólo se implementó en un sistema de microscopio. Numerosas aplicaciones de la técnica de contraste de fase se han implementado en distintos campos. En 1953 se le implementó para evaluar componentes ópticas, como rejillas de difracción, con gran precisión. Entre 1954 y 1957 se le utilizó como un refractómetro de contraste de fase para evaluar la concentración de componentes químicos en gases y líquidos.

En 1958, W. S. Rodney y E. Djurle, propusieron un refractómetro de contraste de fase que funcionara en el infrarrojo. Se centraron en la línea de 1.014 de una fuente de mercurio. El instrumento fue utilizado para medir índices de refracción en aire. K. Tetekura, propuso el uso del principio de contraste de fase para determinar el perfil del índice de fibras ópticas mono modo. O. E. Martínez, propuso una técnica para medir linealmente pulsos ultracortos utilizando un arreglo de contraste de fase. La duración de los pulsos era del orden de picosegundos. En el método se midió el desplazamiento de fase introducido por el pulso propagándose transversalmente en un medio con nolinealidad tipo Kerr.

El estudio de superficies también ha sido un campo en donde la técnica de contraste de fase ha tenido gran impacto. En 1985, C. W. See y colaboradores [23], presentaron resultados experimentales del estudio de superficies de acero inoxidable pulido, diamantes pulidos y en bruto. Utilizaron una variedad de la técnica de contraste de fase conocida como contraste de fase diferencial. En todos los casos fueron visualizados las rugosidades y defectos de todas las muestras. En ese mismo año, S. N. Jabor, midió la rugosidad de superficies en vidrio pulido de baja reflectancia menores de 0.1 nm.

En 1988, Lohmann y colaboradores, propusieron un arreglo de iluminación basado en contraste de fase. La posible aplicación de este sistema es en computadoras digitales ópticas. En este sistema, se convierte una iluminación uniforme en un arreglo de puntos brillantes. Usando una rejilla de fase, ésta era iluminada uniformemente, las variaciones de fase eran convertidas en variaciones de amplitud a la salida de un sistema de contraste de fase, proporcionando la iluminación necesaria para microcomponentes como compuertas lógicas. Años después, en 1995, J. Glückstad, implementó un arreglo similar utilizando un medio Kerr para fotoinducir el filtro de fase. En particular utilizó una película de bacterirrodopsina.

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Óptica de microscopio de contraste de fase y un microscopio moderno de contraste de fase. Se muestra el diseño de un microscopio de contraste de fase (Gundlach, 2003; Locquin, M y Langeron, M. 1985).

Serie B-600, OPTIKA Microscopes (Microscopios biológicos para investigación) Características técnicas: Distancia interpupilar: regulable entre 51 y 78mm Compensación dióptrica: +/- 5 dioptrías Oculares: EWF10x/22mm, perfecto para el uso con gafas de vista. Sistema óptico: índice de campo 22 mm; 160 mm estándar o sistema IOS. Condensador: del tipo de Abbe a dos lentes y a doble apertura numérica 0,22/ 1,22. Objetivos: en función de los modelos; plano acromáticos160 mm o plano acromáticos corregidos al infinito (IOS) para campo claro o contraste de fase.

Microscopio Binocular Carl Zeiss Pirámide Axiostar Objetivos revólver 4x, c/objetivos CP Achromat 5, 10, 40 y 100x Aumento Máximo 1800x Platina mecánica charriot verdadero de 160x140mm Factor de ampliación propio 1x. Con ajuste de distancia interpupilar entre 55 y 75mm. Permite la incorporación de accesorios tales como: contraste de fase Ph1, Ph2 y Ph3, campo oscuro, polarización simple, medición, microfotografía/TV, análisis de imagen, dibujo, co-observación. Superficie con tratamiento de acabado cerámico, resistente a sustancias corrosivas y raspaduras. Condensador Abee 0.9/1.25 regulable en altura, diafragama iris de apertura ajustable, y montura para correderas de contraste de fase y campo oscuro.

Microscopios CKX31 y CKX41 (Olympus) Los microscopios CKX utilizan el sistema óptico corregido al infinito y ofrecen mejor visibilidad y operabilidad en la observación de células. El CKX31 es un microscopio invertido con una excelente relación costo-beneficio diseñado para aplicaciones de rutina en varios campos, desde el cultivo de tejidos y la embriología hasta la inmunología y la farmacología.

Accesorios para el Revelation III Contraste de Fase/Campo Oscuro Los equipos de contraste de fase y campo oscuro son fáciles de usar y económicos. Los juegos de fase de 10X, 40X, o 100X están disponibles para compra individual.

Fritz Zernike Nació el 16 de julio de 1888 y murió el 10 de marzo de 1966. Empezó sus estudios en química en 1905 en la Universidad de Ámsterdam. Obtuvo su maestría en Química en 1912. Se doctoró en 1915 con la tesis “L’opalescence critique, thèorie et experiments”. Fue profesor de matemáticas y física técnica y mecánica teórica en la universidad de Groningen . Obtuvo grandes logros académicos, el más significativo fue el premio Novel de Física, en 1953, por su invento del microscopio de contraste de fase.

Referencias E. Hecht, “Optics”, Second edition R. Guenther, “Modern Optics” Goodman, “Introduction to Fourier Optics”, Second edition David Sanchez-de-la-Llave, M. David Iturbe-Castillo, and Carlos G Trevino-Palacios. Phase Contrast technique: a broader approach. M. D. Iturbe Castillo, D. Sánchez-de-la-Llave, R. Ramos García, L. I. Olivos-Pérez, L. A. González, M. Rodríguez-Ortiz. “Real-time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a bacteriorhodopsin film”. Opt. Eng. 40, 2367-2368 (2003).

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