Обзор компактных источников суперконтинуума LEUKOS для биомедицинских приложений

Введение

Использование фотонно-кристаллического волокна и микрочипового лазера в качестве источника накачки для генерации суперконтинуума позволяет создавать компактные бюджетные системы для приложений биомедицины.

В данной работе рассматриваются методы создания компактного источника суперконтинуума на примере трех приложений: проточной цитометрии, CARS-микроскопии и оптической когерентной томографии (OCT). Интегрированные, удобные в использовании источники для этих приложений производятся компанией LEUKOS.

Триггерный источник суперконтинуума УФ-видимого спектра для проточной цитометрии

Флуорохромы, используемые в проточной цитометрии, возбуждаются УФ-видимым излучением. Для генерации суперконтинуума в этом диапазоне используется каскадное четырехволновое смешение.

Микрочиповый лазер Nd:YAG с модуляцией добротности соединен с кварцевым волокном с высоким двулучепреломлением. Эволюция спектра на выходе оптоволокна регистрируется в зависимости от мощности накачки (рисунок 1). Генерация видимого суперконтинуума начинается с двух линий: 801 нм и 643 нм. Сначала в результате вырожденного четырехволнового смешения генерируются стоксова (S) и атистоксова (AS1) волна на 1582 нм и 801 нм. Затем происходит второй, невырожденный процесс четырехволнового смешения, в котором смешиваются волны накачки (P), AS1 и S, а также новая антистоксова волна на 643 нм (AS2).

Рисунок 1 — Генерация суперконтинуума с помощью каскадного четырехволнового смешения в фотонно-кристаллическом оптоволокне (построение спектра в зависимости от мощности накачки). Вставка: СЭМ изображение кварцевого волокна с высоким двулучепреломлением.

Рисунок 2 — Суперконтинуум в УФ-видимой области (при максимальной мощности накачки)

Учитывая форму оптического окна в проточном цитометре, целесообразно освещать клетки прямоугольным лазерным пучком, что обеспечивается путем запуска выходного пучка в многомодовое оптическое волокно с прямоугольным сердечником, а также соответствующей оптикой.

Для реализации режима работы проточного цитометра, при котором каждая биологическая клетка облучается только одним импульсом, в качестве источника накачки используется лазер с опцией одиночного импульса: микрочиповый лазер с модуляцией добротности (1064 нм/6 мкДж/450 пс).

Компактный интегрированный источник суперконтинуума производства LEUKOS, специально предназначенный для проточной цитометрии, обеспечивает УФ-видимое излучение с опцией одиночного импульса.

Инфракрасный источник суперконтинуума с двумя выходами для CARS-микроскопии

Мультиплексное когерентное антистоксово комбинационное рассеяние (M-CARS) – метод исследования динамического поведения живых клеток. Он заключается в одновременном возбуждении нескольких колебательных мод в образце и позволяет получать многоцветные изображения. M-CARS может быть реализован с использованием монохроматической волны накачки (частота ω₁) и широкополосной (суперконтинуумной) волны Стокса (частота ω₂). В связи с этим удобен в использовании компактный источник, способный одновременно излучать две необходимые волны.

При монохроматической накачке на 1064 нм чтобы охватить рамановские сдвиги вплоть до 4000 см^-1, требуется спектр широкополосной стоксовой волны от 1100 до 2000 нм.

Экспериментальная установка для создания лазерного источника с двумя выходами схематически представлена на рисунке 3. Используется микрочиповый Nd:YAG-лазер (1064 нм/900 пс/75 кГц). Длина волны нулевой дисперсии оптоволокна близка к 1 мкм, поэтому накачка осуществляется в режиме аномальной дисперсии. Нелинейный процесс уширения спектра основан на модуляционной неустойчивости, самосдвиге частоты солитонов и столкновениях солитонов. Таким образом, генерируется ИК спектр мощности одного уровня (рисунок 4). Спектральная плотность мощности поддерживается на уровне выше 700 мкВт/нм вплоть до длины волны 2 мкм.

Рисунок 3 — Схема источника суперконтинуума для CARS-микроскопии с двумя выходами.

Рисунок 4 — ИК-суперконтинуум в PCF с накачкой в режиме аномальной дисперсии. Различные кривые записаны для нескольких значений пиковой мощности, измеренной на входе в PCF (синий: 5,8 кВт, зеленый: 7,7 кВт, красный: 9,7 кВт, голубой: 11,6 кВт). Вставка: SEM-изображение PCF из чистого кремния (ZDW ∼ 1 мкм).

Интегрированный компактный источник суперконтинуума с двумя выходами производства LEUKOS, специально предназначенный для микроспектроскопии M-CARS, имеет как монохроматический выход накачки в свободном пространстве, так и широкополосный стоксовский оптоволоконный выход.

Поливалентный источник суперконтинуума видимого-инфракрасного диапазона для оптической когерентной томографии (ОКТ)

Поливалентный источник суперконтинуума может быть применен для ОКТ в нескольких спектральных диапазонах (окна 550 нм, 800 нм и 1550 нм). Для этого источника спектральное уширение в оптоволокне основано на сочетании многих нелинейных процессов: модуляционной неустойчивости, самосдвиге частоты солитонов, столкновения солитонов, параметрических эффектах, кросс-фазовой модуляции). На рисунке 5 представлен типичный спектр в диапазоне от 400 до 2400 нм. Как уже отмечалось выше, выходной пучок может быть сформирован в соответствии с требованиями конкретного приложения. Оптоволокно источника можно соединить с многомодовым волокном с большим сердечником, чтобы получить высокомультимодовый пучок любой формы. Пример луча квадратной формы в сравнении с обычным одномодовым лучом гауссовой формы показан на рисунке 5.

Рисунок 5 — Обзор поливалентного источника суперконтинуума видимого-инфракрасного диапазона. Пример пространственного формирования выходного пучка.

Заключение

Рассмотрены разработки компактных источников суперконтинуума от УФ до ближнего ИК диапазона производства LEUKOS, основанные на комбинации ИК-субнаносекундного микрочипового лазера и фотонно-кристаллического волокна, по которому в нелинейном режиме распространяются оптические импульсы высокой пиковой мощности. Увеличение спектральной плотности мощности суперконтинуума может быть достигнуто путем введения волоконного усилителя.

Такие лазерные источники белого света на основе микрочипов характеризуются компактным размером, надежностью, стабильностью и невысокой стоимостью.

Представленные источники уже успешно применялись в области биомедицины: в проточной цитометрии, CARS-микроскопии и ОКТ для исследования биологических образцов различного масштаба (клетка, микроорганизм, ткань, орган).

Компания INSCIENCE является поставщиком источников суперконтинуума для биомедицинских приложений