Pikosekundengepulste Halbleiterlaser zur Zeitauflösung

Entwickelt und hergestellt von Becker & Hickl – bh bietet gepulste Pikosekunden-Diodenhalbleiterlaser in Wellenlängen von UV bis NIR. Alle gepulsten Pikosekunden-Halbleiterlaser von bh sind mit einer einfachen +12V-Stromversorgung oder über den USB-Anschluss eines PCs oder Laptops erhältlich. Weitere Merkmale sind hohe Wiederholfrequenzen, kurze Impulsbreiten, beispiellose Timing- und Leistungsstabilität sowie extrem niedrige elektrische Rauschpegel. Die komplette Antriebselektronik ist im Lasermodul integriert. Alle bh-Halbleiterlasermodule sind direkt mit bh-TCSPC-Modulen kompatibel. Erfahren Sie auf dieser Seite mehr über die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Produkte, insbesondere in TCSPC-Systemen.
Welche Anwendungen gibt es mit Ultrakurzpulslasern?
Eines der wichtigsten Anwendungsgebiete für Ultrakurzpulslaser ist das bildgebende Verfahren der Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung (FLIM). Konkret basiert die TCSPC-FLIM-Technik auf der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls eines gepulsten Halbleiterlasers, um eine Probe mit einer hohen Wiederholungsrate abzutasten und anschließend einzelne Photonen des von der Probe zurückgegebenen Fluoreszenzsignals zu erfassen. Jedes Photon wird durch seine Zeit im Laserpulszyklus und die Position des Laserflecks im gescannten Bereich zum Zeitpunkt der Erkennung bestimmt. Der Aufnahmeprozess erzeugt eine Photonenverteilung über diese Parameter. Das Ergebnis kann als eine Anordnung von Pixeln betrachtet werden, die jeweils eine vollständige Fluoreszenz-Abklingkurve über eine große Anzahl von Zeitkanälen enthalten.
Ophthalmologisches FLIM ist eines der Anwendungsgebiete für gepulste Laser. Grundvoraussetzung für diese Anwendung ist die Anregung des menschlichen Auges durch einen Pikosekunden-Halbleiterlaser.
Der vom Halbleiterlaser erzeugte Strahl wird direkt in die Pupille des Auges des Patienten projiziert. Die vom Hintergrund des Auges (Fundus) zurückkehrende Fluoreszenz wird in zwei Wellenlängenkanälen erfasst.
Dieses Licht wird vom FLIM-Modul erfasst, verarbeitet und bei der Bildgebung ausgewertet. Die auf diese Weise gewonnenen Daten bieten Ärzten die Möglichkeit, frühzeitige Augenerkrankungen viel schneller zu erkennen als derzeit verfügbare Methoden. Somit können gepulste Halbleiterlaser eine große Hilfe bei der Früherkennung und Behandlung sein und letztendlich die Lebensqualität der Patienten verbessern.
Die LHB-104 Quad-Laserbox, auch „Laser-Hub“ genannt, enthält bis zu vier BDS-SM-Laser. Die Strahlen der einzelnen Laser werden zu einem einzigen Freistrahlausgang oder einem fasergekoppelten Singlemode-Ausgang kombiniert. Eine Box enthält die Steuerelektronik, die den Laserschaltboxen LSB-C und LSB-C2 entspricht. Darüber hinaus enthält die Laserbox Wellenlängen-Multiplex-Elektronik, Steuersignaleingänge und TCSPC-Modul-Synchronisationssignalausgänge.
Becker & Hickl bietet eine große Auswahl an Lasern für unterschiedliche Einsatzzwecke. Zwei Beispiele sind hier besonders erwähnenswert:
Singlemode-Laser (BDS-SM)
Multimode-Laser (BDS-MM)
Aufgrund ihrer sichtbaren Reichweite eignen sich sowohl SM- als auch MM-Laser für spezielle Anwendungen. Dazu gehört die Anregung verschiedener Fluorophore und anderer biologischer Proben, wie unten beschrieben.
Zwei Beispiele für gepulste Pikosekunden-Halbleiterlaser
Die BDL- und BDS-Laser von bh sind für Anwendungen in der Laser-Scanning-Mikroskopie konzipiert. Sie verfügen über einen schnellen Ein-/Aus-Steuereingang, der den Laser während des Strahlrücklaufs des Scanners ausschaltet und mehrere Laser unterschiedlicher Wellenlängen multiplext.
Laser der BDS-SM-Serie
Bei den BDS-SM-Lasern handelt es sich um kleine Module mit den Maßen nur 40 mm x 70 mm x 120 mm. Die Laser enthalten die gesamte Antriebselektronik. Wie üblich werden sie mit einem einfachen +12 V betrieben. Die BDS-Pikosekunden-Halbleiterlaser liefern sowohl Freistrahl- als auch Singlemode-Faserausgang. Die Pulsbreiten betragen etwa 50 bis 90 ps und die Pulswiederholungsfrequenz kann zwischen 80 MHz, 50 MHz, 20 MHz und CW umgeschaltet werden. Bilder
Es stehen alle typischen Halbleiterlaserwellenlängen von 375 nm bis 785 nm zur Verfügung, auf Anfrage sind auch andere Wellenlängen erhältlich. Die BDS-Laser nutzen das gleiche Antriebsprinzip wie die BDL-SMN-Laser. Dadurch kann eine hohe optische Leistung mit einer guten Impulsform erzielt werden, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Ausgangsleistung wird durch eine interne Regelschleife stabilisiert und ermöglicht ein schnelles Schalten. Der Laser verfügt über einen Synchronisationsausgang zum bh TCSPC-Modul und einen Triggereingang zur Synchronisation mit anderen gepulsten Lasern.
Laser der BDS-MM-Serie
Der BDS-MM-Laser ist eine Multimode-Version des BDS-SM-Lasers. Abhängig von der Wellenlängenversion kann die CW-Äquivalentleistung bei einer Wiederholfrequenz von 50 MHz bis zu 20 bis 50 mW betragen. In den meisten Fällen wird die Pulsform bis zu mehr als 10 mW frei von Ausläufern und Rückimpulsen gehalten. Es mussten jedoch einige Kompromisse eingegangen werden: Aufgrund von Einschränkungen beim Stromverbrauch verfügen MM-Laser nicht über kontinuierliche Moden und es ist schwierig, Licht in die Faser zu fokussieren. BDS-MM-Laser sollten nach Möglichkeit mit Freistrahloptiken oder, wenn eine Faserkopplung unumgänglich ist, mit Multimodefasern mit Kerndurchmessern von 200 μm oder größer eingesetzt werden.
Besonders interessante Anwendungen und Techniken für Pikosekunden-gepulste Halbleiterlaser
Wie oben gezeigt, bieten die gepulsten Pikosekunden-Halbleiterlaser von bh viele Vorteile, die ein breites Anwendungsspektrum eröffnen. Einige davon werden hier dargestellt.
Pikosekundengepulster Halbleiterlaser für FLIM mit Anregungswellenlängenmultiplex
FLIM kann mit Anregungswellenlängen-Multiplexing kombiniert werden. Eine Erweiterung dieses Prinzips auf FLIM wird unten gezeigt. Die Anregung bei unterschiedlichen Wellenlängen erfolgt durch Multiplexen (Ein-/Ausschalten) mehrerer Laser oder durch Umschalten der Wellenlängen des akusto-optischen abstimmbaren Filters (AOTF) eines Superkontinuumlasers. Das Multiplexsignal, das angibt, welcher Laser (oder welche Laserwellenlänge) aktiv ist, wird dem Routing-Eingang des TCSPC-Moduls zugeführt. Das Signal gibt die Anregungswellenlänge an.
Das TCSPC-Modul führt den normalen FLIM-Erfassungsprozess aus: Es erstellt eine Photonenverteilung über die Koordinaten des gescannten Bereichs, die Photonenzeit und die Anregungswellenlänge. Das Ergebnis ist ein Datensatz, der Bilder einzelner Anregungswellenlängen enthält. Es kann auch als ein einzelnes Bild interpretiert werden, dessen Pixel mehrere Abklingkurven für verschiedene Anregungswellenlängen aufweisen.
Pikosekundengepulster Halbleiterlaser für die Stoffwechselbildgebung
Als Beispiel für eine sehr wichtige Anwendung ultrakurzgepulster Laser sei hier die metabolische Bildgebung genannt. Es basiert auf der gleichzeitigen Erfassung von Fluoreszenzlebensdauerbildern von NAD(P)H und FAD, um die Auswirkungen von Photobleichung, Fokusdrift und möglichen physiologischen Veränderungen zu minimieren. Dies kann durch Laser-Multiplexing und Multiplexing von TCSPC erreicht werden. Die Signale in den beiden Emissionswellenlängenintervallen werden von zwei parallelen FLIM-Kanälen aufgezeichnet. Die Kernkomponente ist das konfokale Scan-FLIM-System bh DCS-120. Somit erfordert metabolisches FLIM mit dem DCS-120 nur die Verwendung des richtigen Lasers und die Auswahl der richtigen Setup-Parameter.
Die nebenstehende Abbildung veranschaulicht die Leistung des Systems anhand menschlicher Blasenzellen. tm-Bilder, a1-Bilder und FLIRR-Bilder können zwischen normalen und Tumorzellen unterscheiden. Die aus der Stoffwechselbildgebung gewonnenen Daten sind für die Therapie von unschätzbarem Wert.
Synchronisiertes FLIM/PLIM mit ultrakurz gepulsten Lasern
Darüber hinaus sind gepulste Pikosekunden-Halbleiterlaser eine Schlüsselkomponente des synchronisierten FLIM/PLIM.
Im Gegensatz zu anderen Techniken werden pro Phosphoreszenzanregungszyklus nicht ein, sondern mehrere Laserpulse verwendet.
Der Anregungslaser eines FLIM-Systems wird mit Zyklen im Mikrosekunden- oder Millisekundenbereich moduliert.
Das System generiert FLIM-Bilder basierend auf der Photonenzeit im Laserpulszyklus und PLIM-Bilder basierend auf der Zeit im Modulationszyklus. Die nebenstehende Abbildung verdeutlicht das Prinzip.
Pikosekundengepulster Halbleiterlaser und räumliches Multiplexing
Für die diffuse optische Tomographie (DOT) wird eine Kombination aus Wellenlängenmultiplex und räumlichem Multiplex verwendet. Das Prinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Mehrere Pikosekunden-Halbleiterlaserstrahlen werden zu einer einzigen Faser zusammengefasst und gemultiplext. Die Faser mit dem kombinierten Laser wird an den Eingang eines Glasfaserschalters angeschlossen oder in Abschnitte unterteilt, die mit mehreren Glasfaserschaltern verbunden sind. Der Faserschalter multiplext das Laserlicht (das selbst aus mehreren gemultiplexten Laserwellenlängen besteht) kontinuierlich in eine große Anzahl von Fasern, die das Licht an verschiedene Probenorte leiten.
Diffus durchgelassenes Licht wird von einer Vielzahl von Detektoren an anderen Stellen der Probe erfasst. Detektorsignale werden von parallelen TCSPC-Modulen mit „Kanal“-Eingängen aufgezeichnet, um Signale von verschiedenen Quellenstandorten und Laserwellenlängen in verschiedenen Wellenform-Speicherblöcken aufzuzeichnen. Um die Anzahl der Melderpositionen zu erhöhen, kann der Aufbau um einen Router erweitert werden.