Laser a semiconduttore pulsati a picosecondi per la risoluzione temporale

Progettato e prodotto da Becker & Hickl - bh offre laser a semiconduttore a diodi pulsati a picosecondi con lunghezze d'onda che vanno da UV a NIR. Tutti i laser a semiconduttore pulsati a picosecondi bh sono disponibili con un semplice alimentatore da +12V o dalla porta USB di un PC o laptop. Altre caratteristiche includono frequenze di ripetizione elevate, ampiezze di impulso brevi, temporizzazione e stabilità di potenza senza precedenti e livelli di rumore elettrico estremamente bassi. L'elettronica di azionamento completa è integrata nel modulo laser. Tutti i moduli laser a semiconduttore bh sono direttamente compatibili con i moduli bh TCSPC. Scopri di più sulle diverse applicazioni dei prodotti, soprattutto nei sistemi TCSPC, in questa pagina.
Quali sono le applicazioni dei laser pulsati ultracorti?
Una delle aree di applicazione più importanti per i laser a impulsi ultracorti è la tecnica di scansione dell'imaging a fluorescenza (FLIM). Nello specifico, la tecnica TCSPC-FLIM si basa sull'utilizzo di un raggio laser pulsato proveniente da un laser a semiconduttore pulsato per scansionare un campione con un'elevata frequenza di ripetizione e quindi sul rilevamento di singoli fotoni del segnale di fluorescenza restituito dal campione. Ogni fotone è determinato dal suo tempo nel ciclo dell'impulso laser e dalla posizione del punto laser nell'area scansionata al momento del rilevamento. Il processo di registrazione crea una distribuzione di fotoni su questi parametri. Il risultato può essere visto come una disposizione di pixel, ciascuno contenente una curva di decadimento completa della fluorescenza su un gran numero di canali temporali.
Il FLIM oftalmico è uno dei campi di applicazione dei laser pulsati. Il requisito fondamentale per questa applicazione è l'eccitazione dell'occhio umano da parte di un laser a semiconduttore a picosecondi.
Il raggio generato dal laser a semiconduttore viene proiettato direttamente nella pupilla dell'occhio del paziente. La fluorescenza che ritorna dallo sfondo dell'occhio (fondo) viene rilevata in due canali di lunghezze d'onda.
Questa luce viene catturata dal modulo FLIM, elaborata e valutata durante l'imaging. I dati ottenuti in questo modo offrono ai medici l’opportunità di riconoscere precocemente le malattie degli occhi molto più velocemente rispetto ai metodi attualmente disponibili. Pertanto, i laser a semiconduttore pulsati possono essere di grande aiuto nella diagnosi precoce e nel trattamento, migliorando in definitiva la qualità della vita dei pazienti.
Il quad laser box LHB-104, noto anche come "laser-hub", contiene fino a quattro laser BDS-SM. I raggi dei singoli laser vengono combinati per formare un'unica uscita a raggio libero o un'uscita monomodale accoppiata a fibra. Una scatola contiene l'elettronica di controllo equivalente alle scatole di commutazione laser LSB-C e LSB-C2. Inoltre, la scatola laser contiene elettronica di multiplexing della lunghezza d'onda, ingressi del segnale di controllo e uscite del segnale di sincronizzazione del modulo TCSPC.
Becker & Hickl può offrire un'ampia gamma di laser per scopi diversi. Due esempi in particolare meritano di essere citati qui:
Laser monomodale (BDS-SM)
Laser multimodale (BDS-MM)
Grazie alla loro portata visibile, sia i laser SM che MM sono adatti per applicazioni speciali. Questi includono l'eccitazione di vari fluorofori e altri campioni biologici, come descritto di seguito.
Due esempi di laser a semiconduttore pulsati a picosecondi
I laser bh BDL e BDS sono progettati per applicazioni di microscopia a scansione laser. Sono dotati di un ingresso di controllo di accensione/spegnimento rapido che spegne il laser durante il ritorno del raggio dello scanner e multiplexa più laser di diverse lunghezze d'onda.
Laser serie BDS-SM
I laser BDS-SM sono piccoli moduli che misurano solo 40 mm x 70 mm x 120 mm. I laser contengono l'intera elettronica di azionamento. Come al solito, sono alimentati da un semplice +12 V. I laser a semiconduttore a picosecondi BDS forniscono sia un'uscita in fibra a raggio libero che monomodale. Le larghezze degli impulsi vanno da circa 50 a 90 ps e la frequenza di ripetizione degli impulsi può essere commutata tra 80 MHz, 50 MHz, 20 MHz e CW. immagini
Sono disponibili tutte le tipiche lunghezze d'onda dei laser a semiconduttore da 375 nm a 785 nm, anche altre lunghezze d'onda sono disponibili su richiesta. I laser BDS utilizzano lo stesso principio di azionamento dei laser BDL-SMN. Di conseguenza, è possibile ottenere un'elevata potenza ottica con una buona forma dell'impulso, come mostrato nella figura seguente. La potenza in uscita è stabilizzata da un circuito di regolazione interno e consente una commutazione rapida. Il laser dispone di un'uscita di sincronizzazione con il modulo bh TCSPC e di un ingresso di trigger per la sincronizzazione con altri laser a impulsi.
Laser serie BDS-MM
Il laser BDS-MM è una versione multimodale del laser BDS-SM. A seconda della versione della lunghezza d'onda, la potenza equivalente CW alla frequenza di ripetizione di 50 MHz può arrivare da 20 a 50 mW. Nella maggior parte dei casi, la forma dell'impulso viene mantenuta priva di code e impulsi di ritorno fino a più di 10 mW. Tuttavia, è stato necessario scendere ad alcuni compromessi: a causa dei limiti di consumo energetico, i laser MM non hanno modalità continue ed è difficile focalizzare la luce nella fibra. Se possibile, i laser BDS-MM dovrebbero essere utilizzati con ottiche a raggio libero o, se l'accoppiamento delle fibre è inevitabile, con fibre multimodali con diametro del nucleo di 200 μm o superiore.
Applicazioni e tecniche più particolarmente interessanti per i laser a semiconduttore pulsati a picosecondi
Come mostrato sopra, i laser a semiconduttore pulsati a picosecondi di bh presentano numerosi vantaggi che aprono un'ampia gamma di applicazioni. Alcuni di questi saranno raffigurati qui.
Laser a semiconduttore pulsato a picosecondi per FLIM con multiplexing della lunghezza d'onda di eccitazione
FLIM può essere combinato con il multiplexing della lunghezza d'onda di eccitazione. Di seguito è mostrata un'estensione di questo principio a FLIM. L'eccitazione a diverse lunghezze d'onda viene realizzata multiplexando (commutazione on/off) più laser o commutando le lunghezze d'onda del filtro sintonizzabile acusto-ottico (AOTF) di un laser supercontinuo. Il segnale multiplexing che indica quale laser (o lunghezza d'onda laser) è attivo viene inviato all'ingresso di instradamento del modulo TCSPC. Il segnale indica la lunghezza d'onda di eccitazione.
Il modulo TCSPC esegue il normale processo di acquisizione FLIM: costruisce una distribuzione di fotoni sulle coordinate dell'area scansionata, il tempo del fotone e la lunghezza d'onda di eccitazione. Il risultato è un set di dati contenente immagini delle singole lunghezze d'onda di eccitazione. Può anche essere interpretato come una singola immagine che ha più curve di decadimento nei suoi pixel per diverse lunghezze d'onda di eccitazione.
Laser a semiconduttore pulsato a picosecondi per l'imaging metabolico
Come esempio di un'applicazione molto importante dei laser a impulsi ultracorti, viene qui menzionata l'imaging metabolico. Si basa sull'acquisizione simultanea di immagini della durata della fluorescenza di NAD(P)H e FAD per ridurre al minimo gli effetti del fotosbiancamento, della deriva del fuoco e dei possibili cambiamenti fisiologici. Ciò può essere ottenuto mediante multiplexing laser e multiplexing TCSPC. I segnali nei due intervalli di lunghezze d'onda di emissione vengono registrati da due canali FLIM paralleli. Il componente principale è il sistema FLIM a scansione confocale bh DCS-120. Pertanto, il FLIM metabolico che utilizza il DCS-120 richiede solo l'uso del laser corretto e la selezione dei parametri di configurazione corretti.
La figura adiacente illustra le prestazioni del sistema utilizzando cellule della vescica umana. Le immagini tm, le immagini a1 e le immagini FLIRR possono distinguere tra cellule normali e tumorali. I dati ottenuti dall’imaging metabolico sono preziosi per la terapia.
FLIM/PLIM sincronizzato utilizzando laser pulsati ultracorti
Inoltre, i laser a semiconduttore pulsati al picosecondo sono un componente chiave del FLIM/PLIM sincronizzato.
A differenza di altre tecniche, per ogni ciclo di eccitazione della fosforescenza vengono utilizzati non uno ma diversi impulsi laser.
Il laser di eccitazione di un sistema FLIM è modulato con cicli nell'ordine dei microsecondi o dei millisecondi.
Il sistema genera immagini FLIM in base al tempo del fotone nel ciclo dell'impulso laser e immagini PLIM dal tempo nel ciclo di modulazione. La figura adiacente illustra il principio.
Laser a semiconduttore pulsato a picosecondi e multiplexing spaziale
Per la tomografia ottica diffusa (DOT) viene utilizzata una combinazione di multiplexing della lunghezza d'onda e multiplexing spaziale. Il principio è illustrato nella figura seguente. Diversi raggi laser a semiconduttore a picosecondi vengono combinati in un'unica fibra e multiplexati. La fibra con il laser combinato è collegata all'ingresso di un interruttore in fibra ottica oppure divisa in sezioni collegate a più interruttori in fibra ottica. L'interruttore in fibra multiplexa la luce laser (che a sua volta consiste di diverse lunghezze d'onda laser multiplexate) in modo continuo in un gran numero di fibre che forniscono la luce a diverse posizioni del campione.
La luce trasmessa diffusamente viene registrata da un gran numero di rilevatori in altre posizioni nel campione. I segnali del rilevatore vengono registrati da moduli TCSPC paralleli con ingressi "canale" per la registrazione di segnali da diverse posizioni di sorgente e lunghezze d'onda laser in diversi blocchi di memoria della forma d'onda. Per aumentare il numero di posizioni del rilevatore, la configurazione può essere estesa con un router.