Picosecond pulsade halvledarlasrar för tidsupplösning

Designad och tillverkad av Becker & Hickl - bh erbjuder pikosekundpulsade diodhalvledarlasrar i våglängder från UV till NIR. Alla bh picosecond pulsade halvledarlasrar är tillgängliga med en enkel +12V-strömförsörjning eller från USB-porten på en PC eller bärbar dator. Andra funktioner inkluderar höga repetitionsfrekvenser, korta pulsbredder, oöverträffad timing och kraftstabilitet och extremt låga elektriska brusnivåer. Komplett drivelektronik är integrerad i lasermodulen. Alla bh halvledarlasermoduler är direkt kompatibla med bh TCSPC-moduler. Läs mer om produkternas olika tillämpningar, speciellt i TCSPC-system, på denna sida.
Vilka är tillämpningarna för ultrakorta pulsade lasrar?
Ett av de viktigaste tillämpningsområdena för ultrakorta pulsade lasrar är skanningstekniken för fluorescenslivstidsavbildning (FLIM). Specifikt är TCSPC-FLIM-tekniken baserad på att använda en pulsad laserstråle från en pulsad halvledarlaser för att skanna ett prov med en hög repetitionshastighet och sedan detektera enstaka fotoner av fluorescenssignalen som returneras från provet. Varje foton bestäms av sin tid i laserpulscykeln och positionen för laserfläcken i det skannade området vid tidpunkten för detektering. Registreringsprocessen skapar en fotonfördelning över dessa parametrar. Resultatet kan ses som ett arrangemang av pixlar, som var och en innehåller en fullständig fluorescensavklingningskurva över ett stort antal tidskanaler.
Oftalmisk FLIM är ett av användningsområdena för pulsade lasrar. Det grundläggande kravet för denna applikation är exciteringen av det mänskliga ögat av en pikosekund-halvledarlaser.
Strålen som genereras av halvledarlasern projiceras direkt in i pupillen i patientens öga. Fluorescensen som återvänder från ögats bakgrund (fundus) detekteras i två våglängdskanaler.
Detta ljus fångas upp av FLIM-modulen, bearbetas och utvärderas under avbildning. Data som erhålls på detta sätt ger läkare möjlighet att upptäcka tidig ögonsjukdom mycket snabbare än de metoder som finns tillgängliga för närvarande. Pulserande halvledarlasrar kan således vara till stor hjälp vid tidig upptäckt och behandling, vilket i slutändan förbättrar patienternas livskvalitet.
LHB-104 fyrlaserlåda, även känd som en "laser-hub", innehåller upp till fyra BDS-SM-lasrar. Strålarna från de individuella lasrarna kombineras för att bilda en enkel fristråleutgång eller en enkelmods fiberkopplad utgång. En låda innehåller styrelektroniken motsvarande LSB-C och LSB-C2 laseromkopplarboxar. Dessutom innehåller laserboxen våglängdsmultiplexeringselektronik, styrsignalingångar och TCSPC-modulsynkroniseringssignalutgångar.
Becker & Hickl kan erbjuda ett brett utbud av lasrar för olika ändamål. Särskilt två exempel är värda att nämna här:
Single mode laser (BDS-SM)
Flerlägeslaser (BDS-MM)
På grund av deras synliga räckvidd är både SM- och MM-lasrar lämpliga för speciella applikationer. Dessa inkluderar exciteringen av olika fluoroforer och andra biologiska prover, som beskrivs nedan.
Två exempel på pikosekundpulsade halvledarlasrar
bh BDL- och BDS-lasrar är designade för laserskanningsmikroskopiapplikationer. De har en snabb på/av-kontrollingång som stänger av lasern under skannerns strålåtergång och multiplexerar flera lasrar med olika våglängder.
Lasrar i BDS-SM-serien
BDS-SM-lasrarna är små moduler som endast mäter 40 mm x 70 mm x 120 mm. Lasrarna innehåller hela drivelektroniken. Som vanligt drivs de av en enkel +12 V. BDS picosecond-halvledarlasrar ger både fri-stråle och singelmodsfiberutgång. Pulsbredder är cirka 50 till 90 ps och pulsrepetitionsfrekvensen kan växlas mellan 80 MHz, 50 MHz, 20 MHz och CW. Bilder
Alla typiska halvledarlaservåglängder från 375 nm till 785 nm finns tillgängliga, andra våglängder finns också tillgängliga på begäran. BDS-lasrarna använder samma drivprincip som BDL-SMN-lasrarna. Som ett resultat kan hög optisk effekt erhållas med en bra pulsform, som visas i figuren nedan. Uteffekten stabiliseras av en intern reglerslinga och möjliggör snabb omkoppling. Lasern har en synkroniseringsutgång till bh TCSPC-modulen och en triggeringång för synkronisering med andra pulsade lasrar.
Lasrar i BDS-MM-serien
BDS-MM-lasern är en multimodeversion av BDS-SM-lasern. Beroende på våglängdsversionen kan CW-ekvivalenteffekten vid 50 MHz repetitionsfrekvens vara så hög som 20 till 50 mW. I de flesta fall hålls pulsformen fri från svansar och motpulser upp till mer än 10 mW. Vissa kompromisser var dock tvungna att göra: på grund av strömförbrukningsbegränsningar har MM-lasrar inte kontinuerliga lägen och ljuset är svårt att fokusera in i fibern. Om möjligt bör BDS-MM-lasrar användas med fristråleoptik eller, om fiberkoppling är oundviklig, med multimodefibrer med kärndiametrar på 200 μm eller större.
Mer speciellt intressanta tillämpningar och tekniker för pikosekundpulsade halvledarlasrar
Som visas ovan har bh:s pikosekundpulsade halvledarlasrar många fördelar som öppnar upp för ett brett spektrum av applikationer. Några av dessa kommer att avbildas här.
Picosecond pulsad halvledarlaser för FLIM med excitationsvåglängdsmultiplexering
FLIM kan kombineras med excitationsvåglängdsmultiplexering. En utvidgning av denna princip till FLIM visas nedan. Excitering vid olika våglängder realiseras genom multiplexering (på/av-omkoppling) av flera lasrar eller genom att byta våglängderna för det akustooptiska avstämbara filtret (AOTF) hos en superkontinuumlaser. Multiplexsignalen som indikerar vilken laser (eller laservåglängd) som är aktiv matas till routingingången på TCSPC-modulen. Signalen indikerar excitationsvåglängden.
TCSPC-modulen kör den normala FLIM-insamlingsprocessen: den bygger upp en fotonfördelning över koordinaterna för det skannade området, fotontiden och excitationsvåglängden. Resultatet är en datauppsättning som innehåller bilder av individuella excitationsvåglängder. Det kan också tolkas som en enda bild som har flera avklingningskurvor i sina pixlar för olika excitationsvåglängder.
Picosecond pulsad halvledarlaser för metabolisk avbildning
Som ett exempel på en mycket viktig tillämpning av ultrakorta pulsade lasrar nämns här metabolisk avbildning. Den är baserad på det samtidiga förvärvet av fluorescenslivstidsbilder av NAD(P)H och FAD för att minimera effekterna av fotoblekning, fokusavdrift och möjliga fysiologiska förändringar. Detta kan erhållas genom lasermultiplexering och multiplexering av TCSPC. Signalerna i de två emissionsvåglängdsintervallen registreras av två parallella FLIM-kanaler. Kärnkomponenten är bh DCS-120 konfokal scanning FLIM-systemet. Således kräver metabolisk FLIM som använder DCS-120 endast användning av rätt laser och val av korrekta inställningsparametrar.
Den intilliggande figuren illustrerar prestandan hos systemet med mänskliga blåsceller. tm-bilder, a1-bilder och FLIRR-bilder kan skilja mellan normala och tumörceller. Data som erhålls från metabolisk avbildning är ovärderlig för terapi.
Synkroniserad FLIM/PLIM med ultrakorta pulsade lasrar
Dessutom är pikosekundpulsade halvledarlasrar en nyckelkomponent i synkroniserad FLIM/PLIM.
I motsats till andra tekniker används inte en utan flera laserpulser per fosforescensexciteringscykel.
Excitationslasern i ett FLIM-system moduleras med cykler i mikrosekund eller millisekund.
Systemet genererar FLIM-bilder baserat på fotontiden i laserpulscykeln och PLIM-bilder från tiden i moduleringscykeln. Den intilliggande figuren illustrerar principen.
Picosecond pulsad halvledarlaser och spatial multiplexering
En kombination av våglängdsmultiplexering och spatial multiplexering används för diffus optisk tomografi (DOT). Principen illustreras i figuren nedan. Flera pikosekunders halvledarlaserstrålar kombineras till en enda fiber och multiplexeras. Fibern med den kombinerade lasern är ansluten till ingången på en fiberoptisk switch eller uppdelad i sektioner kopplade till flera fiberoptiska switchar. Fiberomkopplaren multiplexerar laserljuset (som i sig består av flera multiplexade laservåglängder) kontinuerligt till ett stort antal fibrer som levererar ljuset till olika provplatser.
Diffust transmitterat ljus registreras av ett stort antal detektorer på andra platser i provet. Detektorsignaler registreras av parallella TCSPC-moduler med "kanal"-ingångar för inspelning av signaler från olika källplatser och laservåglängder till olika vågformsminnesblock. För att öka antalet detektorpositioner kan inställningen utökas med en router.