Adaptacyjne źródło femtosekundowych impulsów dla wielofotonowej mikroskopii i oftalmoskopii fluorescencyjnej

• laser światłowodowy
• optyka nieliniowa
• laser impulsowy

Streszczenie
Projekt łączy aspekty fizyki laserów, elektroniki i inżynierii biomedycznej w celu rozwiązania problemu, który występuje w obrazowaniu z użyciem fluorescencji wielofotonowej, szczególnie w obrazowaniu okulistycznym. Fluorescencyjna mikroskopia wielofotonowa umożliwia objętościowe obrazowanie obiektów, dostarczając informacji o ich strukturze, zawartości lub stanie metabolicznym. Fluorescencja wzbudzona dwufotonowo jest najczęściej wykorzystywana jako mechanizm kontrastu. W porównaniu ze wzbudzeniem jednofotonowym wariant dwufotonowy ma wiele zalet, które przyczyniły się do powszechnego stosowania tej metody. Zaletami są m.in. lepsza rozdzielczość, możliwość wykonywania przekrojów optycznych czy mniejsze rozpraszanie (co pozwala na głębszą penetrację próbki). Wykorzystanie zjawisk nieliniowych wiąże się z zastosowaniem ultrakrótkich impulsów laserowych o odpowiednio dużej mocy szczytowej. Oddziaływanie impulsu z materią jest niezbędne do uzyskania informacji, ale może też działać w sposób modyfikujący lub niszczący badaną próbkę. Z tego powodu niezwykle istotne jest efektywne wykorzystanie każdego fotonu wysyłanego do badanego obiektu. Projekt ma na celu rozwiązanie problemu w obrazowaniu okulistycznym, a konkretnie w obrazowaniu dwufotonowej fluorescencji dna oka u ludzi. Jest to nowa metoda pozwalająca na obrazowanie rozmieszczenia i stężenia fluoroforów w siatkówce oka, co niesie ze sobą istotne informacje diagnostyczne dotyczące chorób wzroku i może być wykorzystane podczas monitorowania terapii. Dwufotonowe wzbudzanie fluorescencji jest nowatorskim podejściem, które daje unikalną możliwość wzbudzania fluoroforów, które nie mogą być wzbudzone w inny sposób. Spektrum absorpcji tych fluoroforów leży w zakresie UV, a stosowanie promieniowania laserowego w tym zakresie mogłoby spowodować utratę wzroku. Wzbudzanie dwufotonowe rozwiązuje ten problem, ale wymaga ultrakrótkich impulsów laserowych w bliskiej podczerwieni, co nakłada bardzo restrykcyjne ograniczenia na moc stosowanej wiązki laserowej. Zazwyczaj najbardziej krytycznym ograniczeniem jest moc średnia. Problem polega na niskiej wydajności wzbudzania fluorescencji w oku i wynika z trudności w dopasowaniu długości fali wzbudzającej do fluoroforów. Optymalne parametry spektralne nie są jeszcze dobrze znane, a ponadto brakuje źródeł laserowych o odpowiednich parametrach. Innym problemem są różnice między poszczególnymi pacjentami, np. wielkość oka, moc refrakcji czy obecność chorób (np. jaskry), które drastycznie wpływają na sposób propagacji światła w badanym obiekcie. Występują również różnice w dyspersji chromatycznej, co powoduje rozciągnięcie impulsu w czasie, zmniejszenie mocy szczytowej i obniżenie kontrastu. Celem tego projektu jest znalezienie sposobu na zmaksymalizowanie sygnału fluorescencji przy jednoczesnym ograniczeniu średniej mocy. W tym celu proponujemy opracowanie nowego adaptacyjnego źródła ultrakrótkich impulsów oraz metod optymalizacji parametrów impulsu przy jednoczesnym sprzężeniu zwrotnym z obrazowaną próbką. Intensywność fluorescencji może być optymalizowana poprzez kształtowanie impulsów femtosekundowych, zarówno w dziedzinie spektralnej, jak i czasowej. Taka optymalizacja jest możliwa dzięki odpowiedniemu dobraniu widma impulsu wzbudzającego do badanego fluoroforu (a także transmisji przez poprzedzającą go tkankę) oraz dobraniu właściwości czasowych impulsu w taki sposób, aby był on precyzyjnie skompresowany do minimalnego czasu trwania w miejscu ogniska w próbce. Chcemy odpowiedzieć na pytanie, na ile możliwe jest sterowanie właściwościami światła w celu intensyfikacji wzbudzenia dwufotonowego w sposób precyzyjnie zlokalizowany i zindywidualizowany, ściśle dostosowany do badanego obiektu. Pożądany zakres parametrów impulsu to długość fali w zakresie 650-950 nm, czas trwania impulsu poniżej 100 fs oraz regulowana częstotliwość powtarzania impulsów. Planujemy zrealizować układ eksperymentalny z wykorzystaniem elementów światłowodowych i wykorzystać zjawiska optyki nieliniowej, tzn. zastosować generację supercontinuum w włóknach nieliniowych pompowanych femtosekundowym laserem światłowodowym do pokrycia pożądanego zakresu spektralnego. Następnie wyjście zostanie połączone z modulatorem impulsów opartym na przestrzennym modulatorze światła, co pozwoli na spektralne kształtowanie fazy. Na tym etapie badania będą prowadzone z wykorzystaniem syntetycznych fluoroforów i fantomów w skaningowym mikroskopie laserowym. Uzyskany sygnał fluorescencji zostanie wykorzystany jako informacja zwrotna dla algorytmu optymalizacyjnego, sterującego parametrami impulsu za pośrednictwem modulatora impulsów. Wyniki projektu mogą poprawić bezpieczeństwo i efektywność obrazowania wielofotonowego w oku oraz innych próbkach dyspersyjnych i rozpraszających.