02.06.2023

Laser światłowodowy domieszkowany Erbem

Lasery femtosekundowe są stosowane w wielu technikach stosowanych w biofotonice, m.in. w skaningowej mikroskopii wielofotonowej, dwufotonowej oftalmoskopii fluorescencyjnej i dwufotonowej mikroperymetrii. Metody te wymagają precyzyjnie dobranych parametrów ultrakrótkich impulsów, aby zapewnić nieinwazyjne i wydajne obrazowanie badanej próbki bądź badanie pacjenta. Obecnie najczęściej w tym celu stosowane są lasery tytanowo-szafirowe lub oscylatory parametryczne, jednak tego typu źródła są bardzo kosztowne, skomplikowane w użyciu, wymagają chłodzenia wodą oraz nie są mobilne. Rozwiązaniem tych problemów może być użycie femtosekundowych laserów światłowodowych, które oferują równie krótki czas trwania impulsu, ale są znacznie bardziej kompaktowe, łatwiejsze w użyciu i transporcie, umożliwiając translację kliniczną. Laser opracowywane są na Politechnice Wrocławskiej, a naukowcy z ICTER pracują nad ich zastosowaniami.

Pierwszym z zastosowań jest mikroskopia wielofotonowa, a w szczególności mikroskopia fluorescencyjna ze wzbudzeniem dwufotonowym. W tej aplikacji kluczowa jest minimalizacja średniej mocy wzbudzającej lasera, co pozwala na zmniejszenie oddziaływania termicznego z badaną próbką. W tym celu opracowany został femtosekundowy laser światłowodowy z regulowaną częstotliwością repetycji i bardzo krótkim czasem trwania impulsu (poniżej 60 fs). Laser pracuje w zakresie spektralnym bliskiej podczerwieni (około 780 nm), poprzez podwojenie częstotliwości lasera domieszkowanego jonami erbu (pracującego na 1560 nm). Laser został opracowany w formie kompaktowego, łatwego w obsłudze prototypu [1].

Drugie zastosowanie, z zakresu okulistyki, to dwufotonowa oftalmoskopia fluorescencyjna. Jest to metoda pozwalająca na nieinwazyjne obrazowanie autofluorescencji wzbudzanej w siatkówce i warstwie nabłonka barwnikowego. W tej aplikacji kluczowe jest zmniejszenie mocy średniej wiązki lasera użytej do wzbudzania fluorescencji. Osiągnęliśmy to dzięki zastosowaniu femtosekundowego lasera światłowodowego z regulowaną częstotliwością repetycji oraz bardzo krótkim czasem trwania impulsu [2].

Ostatnie zastosowanie, również z zakresu okulistyki, to mikroperymetria dwufotonowa i badanie zjawiska widzenia dwufotonowego. Do tego celu został opracowany kolejny femtosekundowy laser światłowodowy z przestrajalną długością fali, w zakresie od 872 do 1075 nm. Tak szeroki zakres strojenia pozwolił na lepsze zbadanie skotopowej czułości spektralnej widzenia dwufotonowego u ludzi [3].

Zespół:

dr Jakub Bogusławski jboguslawski@ichf.edu.pl

dr Marcin Marzejon mmarzejon@ichf.edu.pl

dr Katarzyna Komar kkomar@ichf.edu.pl

Prof. Maciej Wojtkowski mwojtkowski@ichf.edu.pl

Publikacje:

  1. D. Stachowiak, J. Bogusławski, A. Głuszek, Z. Łaszczych, M. Wojtkowski, G. Soboń, „Frequency-doubled femtosecond Er-doped fiber laser for two-photon excited fluorescence imaging,” Biomedical Optics Express 11(8), 4431 (2020).
  2. Jakub Boguslawski, Grazyna Palczewska, Slawomir Tomczewski, Jadwiga Milkiewicz, Piotr Kasprzycki, Dorota Stachowiak, Katarzyna Komar, Marcin J Marzejon, Bartosz L Sikorski, Arkadiusz Hudzikowski, Aleksander Głuszek, Zbigniew Łaszczych, Karol Karnowski, Grzegorz Soboń, Krzysztof Palczewski, Maciej Wojtkowski, „In vivo imaging of the human eye using a two-photon excited fluorescence scanning laser ophthalmoscope,” The Journal of Clinical Investigation 2022;132(2):e154218.
  3. Dorota Stachowiak, Marcin Marzejon, Jakub Bogusławski, Zbigniew Łaszczych, Katarzyna Komar, Maciej Wojtkowski, Grzegorz Soboń, „Femtosecond Er-doped fiber laser source tunable from 872 to 1075 nm for two-photon vision studies in humans,” Biomedical Optics Express 131(4), 1899-1911 (2022).