Picoseconde gepulseerde halfgeleiderlasers voor tijdresolutie - Industrienieuws

Ontworpen en vervaardigd door Becker & Hickl - bh biedt picoseconde gepulseerde diode-halfgeleiderlasers in golflengten variërend van UV tot NIR. Alle bh picoseconde gepulseerde halfgeleiderlasers zijn verkrijgbaar met een eenvoudige +12V-voeding of via de USB-poort van een pc of laptop. Andere kenmerken zijn onder meer hoge herhalingsfrequenties, korte pulsbreedtes, ongekende timing en vermogensstabiliteit, en extreem lage elektrische ruisniveaus. Volledige aandrijfelektronica is in de lasermodule geïntegreerd. Alle halfgeleiderlasermodules van bh zijn direct compatibel met bh TCSPC-modules. Lees op deze pagina meer over de verschillende toepassingen van de producten, vooral in TCSPC-systemen.
Wat zijn de toepassingen van ultrakorte gepulseerde lasers?
Een van de belangrijkste toepassingsgebieden voor ultrakorte gepulseerde lasers is de scanning-beeldvormingstechniek van fluorescentie-levensduurbeeldvorming (FLIM). Concreet is de TCSPC-FLIM-techniek gebaseerd op het gebruik van een gepulseerde laserstraal van een gepulseerde halfgeleiderlaser om een monster met een hoge herhalingssnelheid te scannen en vervolgens afzonderlijke fotonen te detecteren van het fluorescentiesignaal dat door het monster wordt teruggestuurd. Elk foton wordt bepaald door zijn tijd in de laserpulscyclus en de positie van de laservlek in het gescande gebied op het moment van detectie. Het opnameproces creëert een fotonverdeling over deze parameters. Het resultaat kan worden gezien als een rangschikking van pixels, die elk een volledige fluorescentie-vervalcurve over een groot aantal tijdkanalen bevatten.
Oftalmische FLIM is een van de toepassingsgebieden voor gepulseerde lasers. De basisvereiste voor deze toepassing is de excitatie van het menselijk oog door een picoseconde halfgeleiderlaser.
De door de halfgeleiderlaser gegenereerde straal wordt rechtstreeks in de pupil van het oog van de patiënt geprojecteerd. De fluorescentie die terugkeert van de achtergrond van het oog (fundus) wordt gedetecteerd in twee golflengtekanalen.
Dit licht wordt opgevangen door de FLIM-module, verwerkt en geëvalueerd tijdens de beeldvorming. Gegevens die op deze manier worden verkregen, bieden artsen de mogelijkheid om oogziekten veel sneller te herkennen dan momenteel beschikbare methoden. Gepulseerde halfgeleiderlasers kunnen dus een grote hulp zijn bij vroege detectie en behandeling, waardoor uiteindelijk de kwaliteit van leven van patiënten wordt verbeterd.
De LHB-104 quad-laserbox, ook wel "laser-hub" genoemd, bevat maximaal vier BDS-SM-lasers. De bundels van de afzonderlijke lasers worden gecombineerd om een enkele vrije bundeluitgang of een single-mode vezelgekoppelde uitgang te vormen. Eén doos bevat de besturingselektronica die gelijkwaardig is aan de LSB-C- en LSB-C2-laserschakelkasten. Bovendien bevat de laserbox golflengtemultiplexelektronica, stuursignaalingangen en TCSPC-modulesynchronisatiesignaaluitgangen.
Becker & Hickl biedt een ruim assortiment lasers voor verschillende doeleinden. Twee voorbeelden in het bijzonder zijn hier het vermelden waard:
Singlemode-laser (BDS-SM)
Multimode-laser (BDS-MM)
Door hun zichtbare bereik zijn zowel SM- als MM-lasers geschikt voor speciale toepassingen. Deze omvatten de excitatie van verschillende fluoroforen en andere biologische monsters, zoals hieronder beschreven.
Twee voorbeelden van picoseconde gepulseerde halfgeleiderlasers
bh BDL- en BDS-lasers zijn ontworpen voor laserscanmicroscopietoepassingen. Ze beschikken over een snelle aan/uit-bedieningsingang die de laser uitschakelt tijdens de terugslag van de straal van de scanner en meerdere lasers met verschillende golflengten multiplext.
Lasers uit de BDS-SM-serie
De BDS-SM-lasers zijn kleine modules van slechts 40 mm x 70 mm x 120 mm. De lasers bevatten de volledige aandrijfelektronica. Zoals gebruikelijk worden ze aangedreven door een eenvoudige +12 V. De BDS picoseconde halfgeleiderlasers bieden zowel vrije straal als single-mode glasvezeluitvoer. De pulsbreedtes bedragen ongeveer 50 tot 90 ps en de pulsherhalingsfrequentie kan worden geschakeld tussen 80 MHz, 50 MHz, 20 MHz en CW. Afbeeldingen
Alle typische halfgeleiderlasergolflengten van 375 nm tot 785 nm zijn beschikbaar, andere golflengten zijn ook op aanvraag verkrijgbaar. De BDS-lasers gebruiken hetzelfde aandrijfprincipe als de BDL-SMN-lasers. Als gevolg hiervan kan een hoog optisch vermogen worden verkregen met een goede pulsvorm, zoals weergegeven in de onderstaande figuur. Het uitgangsvermogen wordt gestabiliseerd door een interne regellus en maakt snel schakelen mogelijk. De laser heeft een synchronisatie-uitgang naar de bh TCSPC-module en een triggeringang voor synchronisatie met andere gepulseerde lasers.
Lasers uit de BDS-MM-serie
De BDS-MM-laser is een multimode-versie van de BDS-SM-laser. Afhankelijk van de golflengteversie kan het CW-equivalentvermogen bij een herhalingsfrequentie van 50 MHz oplopen tot 20 tot 50 mW. In de meeste gevallen wordt de pulsvorm vrijgehouden van staarten en tegenpulsen tot meer dan 10 mW. Er moesten echter enkele compromissen worden gesloten: vanwege beperkingen op het energieverbruik hebben MM-lasers geen continue modi en is het moeilijk om licht in de vezel te focusseren. Indien mogelijk moeten BDS-MM-lasers worden gebruikt met vrije bundeloptiek of, als vezelkoppeling onvermijdelijk is, met multimode vezels met kerndiameters van 200 μm of groter.
Meer bijzonder interessante toepassingen en technieken voor picoseconde gepulseerde halfgeleiderlasers
Zoals hierboven weergegeven, hebben de picoseconde gepulseerde halfgeleiderlasers van bh veel voordelen die een breed scala aan toepassingen mogelijk maken. Een aantal hiervan zullen hier worden afgebeeld.
Picoseconde gepulseerde halfgeleiderlaser voor FLIM met excitatiegolflengtemultiplexing
FLIM kan worden gecombineerd met excitatiegolflengtemultiplexing. Een uitbreiding van dit principe naar FLIM wordt hieronder weergegeven. Excitatie bij verschillende golflengten wordt gerealiseerd door het multiplexen (aan/uit schakelen) van meerdere lasers of door het schakelen van de golflengten van het akoestisch-optische afstembare filter (AOTF) van een supercontinuümlaser. Het multiplexsignaal dat aangeeft welke laser (of lasergolflengte) actief is, wordt naar de routeringsingang van de TCSPC-module gevoerd. Het signaal geeft de excitatiegolflengte aan.
De TCSPC-module voert het normale FLIM-acquisitieproces uit: het bouwt een fotonverdeling op over de coördinaten van het gescande gebied, de fotontijd en de excitatiegolflengte. Het resultaat is een dataset met afbeeldingen van individuele excitatiegolflengten. Het kan ook worden geïnterpreteerd als een enkel beeld met meerdere vervalcurven in de pixels voor verschillende excitatiegolflengten.
Picoseconde gepulseerde halfgeleiderlaser voor metabolische beeldvorming
Als voorbeeld van een zeer belangrijke toepassing van ultrakort gepulseerde lasers wordt hier metabolische beeldvorming genoemd. Het is gebaseerd op de gelijktijdige verwerving van fluorescentielevensduurbeelden van NAD(P)H en FAD om de effecten van fotobleken, focusdrift en mogelijke fysiologische veranderingen te minimaliseren. Dit kan worden verkregen door lasermultiplexen en TCSPC-multiplexen. De signalen in de twee emissiegolflengte-intervallen worden geregistreerd door twee parallelle FLIM-kanalen. De kerncomponent is het bh DCS-120 confocale scanning FLIM-systeem. Metabolische FLIM met behulp van de DCS-120 vereist dus alleen het gebruik van de juiste laser en de selectie van de juiste instellingsparameters.
De figuur hiernaast illustreert de prestaties van het systeem met behulp van menselijke blaascellen. tm-afbeeldingen, a1-afbeeldingen en FLIRR-afbeeldingen kunnen onderscheid maken tussen normale cellen en tumorcellen. De gegevens verkregen uit metabole beeldvorming zijn van onschatbare waarde voor therapie.
Gesynchroniseerde FLIM/PLIM met behulp van ultrakorte gepulseerde lasers
Bovendien zijn picoseconde gepulseerde halfgeleiderlasers een sleutelcomponent van gesynchroniseerde FLIM/PLIM.
In tegenstelling tot andere technieken worden per fosforescentie-excitatiecyclus niet één maar meerdere laserpulsen gebruikt.
De excitatielaser van een FLIM-systeem wordt gemoduleerd met cycli in het microseconde- of millisecondebereik.
Het systeem genereert FLIM-beelden op basis van de fotontijd in de laserpulscyclus en PLIM-beelden vanaf de tijd in de modulatiecyclus. De figuur hiernaast illustreert het principe.
Picoseconde gepulseerde halfgeleiderlaser en ruimtelijke multiplexing
Voor diffuse optische tomografie (DOT) wordt een combinatie van golflengtemultiplexing en ruimtelijke multiplexing gebruikt. Het principe wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur. Verschillende picoseconde halfgeleiderlaserstralen worden gecombineerd tot een enkele vezel en gemultiplext. De vezel met de gecombineerde laser wordt aangesloten op de ingang van een glasvezelschakelaar of is opgedeeld in secties die zijn aangesloten op meerdere glasvezelschakelaars. De vezelschakelaar multiplext het laserlicht (dat zelf uit verschillende gemultiplexte lasergolflengten bestaat) continu in een groot aantal vezels die het licht naar verschillende monsterlocaties leveren.
Diffuus doorgelaten licht wordt geregistreerd door een groot aantal detectoren op andere locaties in het monster. Detectorsignalen worden opgenomen door parallelle TCSPC-modules met "kanaal"-ingangen voor het opnemen van signalen van verschillende bronlocaties en lasergolflengten in verschillende golfvormgeheugenblokken. Om het aantal detectorposities te vergroten kan de opstelling uitgebreid worden met een router.