rdtest- és s optikai llézerek fejlesztése nemlineáris mikroszkópi

Femtoszekundumos szilárdtest- és optikai szállézerek fejlesztése és alkalmazásaik a nemlineáris mikroszkópiában (habilitációs elıadás) Szipıcs Róbert MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet E-mail: [email protected]

Budapest, 2011. szeptember 27.

Tartalom (lézerek)

Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai

Femtoszekundumos szilárdtestlézerek

~ 10 fs-os tükörkompenzált Ti-zafír lézer

Széles sávban hangolható, ~ 76 MHz-es < 100 fs-os Ti-zafír lézer

Hangolható, hosszúrezonátoros (22MHz) fs-os Ti-zafír lézer

Diódapumpált fs-os Cr:LISAF lézer

Nemlineáris frekvenciakonverzió szinkronpumpált optikai parametrikus oszcillátorban

Nemlineáris frekvenciakonverzió optikai szálban

< 5 fs-os, dinamikus kicsatolású Ti-zafír lézer fejlesztése lézerspektroszkópiai célra

Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése

Femtoszekundumos Yb-szállézer mőködése és zajtulajdonságai

Femtoszekundumos Yb-szálerısítı rendszer

Diszperziókompenzálás rácspárral és üreges fotonikus kristály szállal

Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer fejlesztése

Tartalom (mikroszkópia) •

•

3D mikroszkópiás képalkotási módszerek –

Lineáris módszerek Optikai koherencia tomográfia (Optical Coherence Tomography) Konfokális fluoreszcancia mikroszkópia

–

Nemlineáris módszerek (2P, 3P, SHG, CARS, 2P FLIM)

Orvosi, biológiai, gyógyszeripari alkalmazások - in vitro vizsgálatok - in vivo vizsgálatok -> Biztonságtechikai szempontok

•

Biológiai minták károsodása (femtoszekundumos) lézerfény hatására - termikus károsodás lézerparaméterektıl való függése - genetikai károsodás lézerparaméterektıl való függése - hosszúrezonátor femtoszekundumos Ti-zafír lézer elınyei

•

Példák a nemlineáris mikroszkópiai alkalmazásokra - az idegtudomány, - a gyógyszeripar, és az - az orvosi diagnosztika területén

Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai 1 fs = 10-15 s 1 fs * 300 000 km/s = 0.3 mikron → Az optikai vékonyréteg rendszerek kiemelkedı szerepe Fourier-transzformációs kapcsolat az komplex térerısség idıfüggvény és a komplex amplitudó spektrum között: ∆ω ω ∆τ ≥ állandó Femtoszekundumos lézermőködés alapvetı feltételei:

Nagy sávszélességgel rendelkezı erısítı közeg

Módusszinkronizálás (pl. Kerr-lencsés)

Diszperziókompenzálás (szolitonszerő impulzusformálódás)


A Ti-zafír kristály, mint nagy sávszélességgel rendelkezı erısítı közeg


A Cr:LISAF kristály, mint nagy sávszélességgel rendelkezı erısítı közeg


A módusszinkronizálás


Kerr-lencsés módusszinkronizálás


A diszperzió hatása az impulzusokra

Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai Kisveszteségő diszperziókompenzálás prizmapárral és csörpölt tükrökkel

< λ1

GDD < 0

λ2 a

λ3

Zs. Bor, B. Rácz, Opt. Comm., 54, 165 (1985) R. Szipıcs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, F. Krausz, Opt. Lett. 19(3), 201-203 (1994) R. Szipıcs, A. Kıházi-Kis, Appl. Phys. B65, 115 (1997) R. Szipıcs, F. Krausz U. S. Pat. No.: 5, 734, 503

Femtoszekundumos lézerek - korlátok A femtoszekundumos lézerek teljesítıképességét korlátozó tényezık

Az erısítı közeg véges sávszélessége

Az alkalmazott kisdiszperziójú lézertükrök véges sávszélessége

A magasabbrendő diszperzió hatása

Femtoszekundumos szilárdtestlézerek A csörpölt tükrök elınyös tulajdonságai: 1. Közel állandó másodrendő illetve tervezhetı harmadrendő diszperzió

R. Szipıcs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, F. Krausz, Opt. Lett. 19(3), 201-203 (1994) R. Szipıcs, A. Kıházi-Kis, Appl. Phys. B65, 115 (1997) R. Szipıcs, F. Krausz U. S. Pat. No.: 5, 734, 503

Femtoszekundumos szilárdtestlézerek A csörpölt tükrök elınyös tulajdonságai: 2. A csörpölt tükrök megnövekedett spektrális sávszélessége

(a) Kisdiszperziójú negyedhullámú tükör (HR tartomány :~ 700-900 nm) (b) Ultraszélessávú csörpölt dielektrikumtükör (HR tartomány: ~ 660-1060 nm)

< 10 fs-os tükörkompenzált Ti-zafír lézer

A. Stingl, Ch. Spielmann, F. Krausz, R. Szipıcs, Opt. Lett. 19(3), 204 (1994)






A. Stingl, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz, R. Szipıcs, Opt. Lett. 20(6), 602 (1995)

< 10 fs-os tükörkompenzált Ti-zafír lézer alkalmazás az optikai koherens tomográfiában M7 M6 M3

CP M5

M4

M2

M1

R = -50 mm

Ti:S

∆ν∆τ ≥ 0.315

R = -50 mm

U. S. Pat. No.: 5, 734, 503 ∆λ > 80 nm, ∆τ< 10 fs

SHG intensity (a.u.)

Pump 532 nm

∆λ > 80 nm

OC

8

∆τ < 10 fs

7 6 5 4 3 2 1

www.fslasers.com

0 -2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Delay (a.u.)

Széles sávban hangolható < 100 fs-os Ti-zafír lézer

A 76 MHz-es hangolható Ti-zafír lézer felépítése

BRF: kettıstörı szőrı, OC: nyitótükör E.J. Mayer, J. Möbius, A. Euteneuer, W. Rühle, R. Szipıcs: Opt. Lett. 22, 528-530 (1997).

Széles sávban hangolható < 100 fs-os Ti-zafír lézer A lézer fontosabb jellemzıi

- Ultraszélessávú csörpölt tükrök (HR tartomány: 660-1060 nm) - Széles hangolási tartomány tükörkészlet cseréje nélkül (693-978 nm) E.J. Mayer, J. Möbius, A. Euteneuer, W. Rühle, R. Szipıcs: Opt. Lett. 22, 528-530 (1997).

Széles sávban hangolható < 100 fs-os Ti-zafír lézer alkalmazások a nemlineáris mikroszkópiában „Broadband Optics with λ-track Extend the Reach of Multiphoton Microscopy”

60

Transmission

1.0

50

0.8

40

0.6

30

0.4

20

0.2

10 0

0.0 500

750

1000

-10 1250

E.J. Mayer, J. Möbius, A. Euteneuer, W. Rühle, R. Szipıcs: Opt. Lett. 22, 528-530 (1997).

Széles sávban hangolható < 100 fs-os Ti-zafír lézer R&D Ultrafast Lasers Kft FemtoRose 100 TUN Compact, NoTouch (10W pump)

Ultraszélessávú, ionosan porlasztott csörpölt tükrök biztosítják a lézerben a széles sávban való hangolhatóságot

HR tartomány: 660 - 1060 nm

Hangolható, hosszúrezonátoros (22 MHz) femtoszekundumos Ti-zafír lézer A 22 MHz-es Ti-zafír lézer felépítése

Setup of the long-cavity oscillator. L: pump focusing lens, IC: input coupler mirror, Ti:Sa: titaniumsapphire crystal BRF: birefringent filter for wavelength tuning, P: prism, HCM: Herriott-cell mirror, OC: output coupler, S: slit for hard-aperture Kerr-lens mode-locking. P. Antal, R. Szipıcs: Tunable, low-repetition-rate, cost-efficient femtosecond Ti:sapphire laser for nonlinear microscopy, Appl. Phys. B, közlésre elfogadva (2011)

Hangolható, hosszúrezonátoros (22 MHz) femtoszekundumos Ti-zafír lézer A lézer jellemzıi

Average output power (mW)

350 300 250 200 150 MW OC SW OC

100 50 700

750

800 Wavelength (nm)

850

900

Output power versus wavelength. Two different output couplers were used for short wavelengths (SW OC, crosses) and for longer wavelengths (MW OC, circles). Pump power was between 2.29 and 2.59 W. P. Antal, R. Szipıcs: Tunable, low-repetition-rate, cost-efficient femtosecond Ti:sapphire laser for nonlinear microscopy, Appl. Phys. B, közlésre elfogadva (2011)

Hangolható, hosszúrezonátoros (22 MHz) femtoszekundumos Ti-zafír lézer A lézer fontosabb jellemzıi

☺ Közel transzformáció-korlátozott, τFHHW < 300 fs-os impulzusok ☺ ~ 22 MHz-es ismétlési frekvencia ☺ 170 nm széles hangolási tartomány ☺ Pumpa teljesítmény < 2.6 W ☺ Átlagos kimenı teljesítmény > 300 mW ☺ Maximum csúcsteljesítmény: ~ 49 kW.

P. Antal, R. Szipıcs: Tunable, low-repetition-rate, cost-efficient femtosecond Ti:sapphire laser for nonlinear microscopy, Appl. Phys. B, közlésre elfogadva (2011)

Diódapumpált, tükörkompenzált fs-os Cr:LISAF lézer Erısítı közeg: Cr:LISAF kristály

•Optikai pumpálás 670 nm-es lézerdiódával, P = 350 mW teljsítménnyel (!) • Módusszinkronizálás félvezetı telítıdı abszorbens (SESAM) alkalmazásával

B. Császár, A. Kıházi-Kis, R. Szipıcs: Low reflection loss ion-beam sputtered negative dispersion mirrors with MCGTI structure for low pump threshold, compact femtosecond pulse lasers In Proc. Advanced Solid State Photonics, February 6-9, 2005, Vienna, Austria (2005), Paper WB17

Diódapumpált, tükörkompenzált fs-os Cr:LISAF lézer A diódapumpált Cr:LISAF lézer felépítése


Diódapumpált, tükörkompenzált fs-os Cr:LISAF lézer Diszperzió kompenzálás: extrém kis veszteségő, ionosan porlasztott MCGTI tükrökkel

100.00

-20 99.98

-40

REFLECTANCE (%)

2

GROUP DELAY DISPERSION (fs )

0

-60 -80 -100 -120

99.96

99.94

99.92

-140 800

810

820

830

840

850

WAVELENGTH (nm)

860

870

880

99.90 780

800

820

840

860

880

WAVELENGTH (nm)


900

Diódapumpált, tükörkompenzált fs-os Cr:LISAF lézer Diszperzió kompenzálás: extrém kis veszteségő, ionosan porlasztott MCGTI tükrökkel

R. Szipıcs et al: Negative dispersionmirrors for dispersion control in femtosecond lasers: chirped dielectric mirrors and multi-cavity Gires–Tournois interferometers, Appl. Phys. B 70 [Suppl.], S51–S57 (2000) B. Császár, A. Kıházi-Kis, R. Szipıcs: Low reflection loss ion-beam sputtered negative dispersion mirrors with MCGTI structure for low pump threshold, compact femtosecond pulse lasers In Proc. Advanced Solid State Photonics, February 6-9, 2005, Vienna, Austria (2005), Paper WB17

Nemlineáris frekvenciakonverzió szinkronpumpált optikai parametrikus oszcillátorban IR OPO KTP kristállyal és csörpölt tükrökkel

J. Hebling, E. J. Mayer, J. Kuhl, R. Szipıcs: ”Chirped-mirror dispersion-compensated optical parametric oscillator”, Optics Letters 20 (8), 919-921 (1995)

Nemlineáris frekvenciakonverzió szinkronpumpált optikai parametrikus oszcillátorban IR OPO KTP kristállyal és csörpölt tükrökkel

J. Hebling, E. J. Mayer, J. Kuhl, R. Szipıcs: ”Chirped-mirror dispersion-compensated optical parametric oscillator”, Optics Letters 20 (8), 919-921 (1995)

Nemlineáris frekvenciakonverzió szinkronpumpált optikai parametrikus oszcillátorban IR OPO PPLN kristállyal és MCGTI tükrökkel 100

2

Group Delay Dispersion (fs )

50

0

-50

-100

-150

-200 1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

W avelength (nm)

Hangolási tartomány: 1060-1320 nm Az OPO hangolása független a pumpa hullámhossztól Sándor P, Makai A, Szipıcs R, “Szélessávú femtoszekundumos PPLN OPO idıfelbontásos lézerspektroszkópiai vizsgálatokhoz” Kvantumelektronika 2008, , 6. Országos Kvantumelektronikai Konferencia, 2008. október 17, Budapest, Eds: Péter Á, Kiss T, Varró S, P-35 (2008) Sándor Péter: Femtoszekundumos idıfelbontásos lézerspektroszkópiai mérırendszer fejlesztése (Diplomamunka, BME, 2008)

1350

1400

PPLN OPO és SHG egység idıfelbontésos lézerspektroszkópiai mérésekhez Spectrometer

Ti:S pump laser (λ = 710 - 880 nm; ∆τ = 100 fs)

HR

SHG Ti:S

Piezo control

PC

HR DM

HR

HR

CM

CM

CM

CM

CM

CM

HR HR

SHG OPO

HR HR

HR

P

BS HR Filter

Fiber

HR HR

L

PPLN DM

DM

Delay

HR

Output:

SHG TI:S (λ = 355 - 440 nm; ∆τ = 100 fs) SHG OPO (λ = 520 - 650 nm; ∆τ = 100 fs)

Legends: DM – dichroic mirror; L – lens; Fiber – multimode optical fiber; CM – chirped mirrors; P – piezo translator; PPLN – periodically poled lithium niobate; HR – high reflector; Filter – color filter; SHG – second-harmonic generation; Delay – delay line; BS – beam splitter

PPLN OPO és SHG egység idıfelbontésos lézerspektroszkópiai mérésekhez

Nemlineáris frekvenciakonverzió optikai szálban: impulzuskompresszió Önfázis moduláció Kerr-közegben: spektrális kiszélesedés

Nemlineáris frekvenciakonverzió optikai szálban: impulzuskompresszió Impulzuskompresszió elve

< 5 fs-os, dinamikus kicsatolású Ti-zafír lézer lézerspektroszkópiai célra A mérési elrendezés

< 5 fs-os, dinamikus kicsatolású Ti-zafír lézer lézerspektroszkópiai célra Az egymódusú optikai szálban kiszélesített spektrum és a mért csörp

A. Baltuška, Z.Wei, M.S. Pshenichnikov, D.A.Wiersma, R. Szipıcs: ”All-solid-state cavity-dumped sub-5-fs laser”, Appl. Phys. B 65, 175–188 (1997)

< 5 fs-os, dinamikus kicsatolású Ti-zafír lézer lézerspektroszkópiai célra A diszperziókompenzálás pontos beállítása


< 5 fs-os, dinamikus kicsatolású Ti-zafír lézer lézerspektroszkópiai célra A legrövidebb impulzusú lézer 1996-ban

Az 1999-es kémiai Nobel-díj poszterrıl


Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Szálintegrált, femtoszekundumos AND Yb-szállézer

J. Fekete, A. Cserteg, Szipıcs; All-fiber, all-normal dispersion ytterbium ring oscillator Laser Physics Letters 6, 49-53, 2009

Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Szálintegrált, femtoszekundumos AND Yb-szállézer Mérési elrendezés

PBS: polarizációs nyalábosztó, PC: polarizáció kontroller, Yb F: Yb adalékolt szál, ISO: izolátor, SA: telítıdı abszorbens, WDM: dikroikus csatoló, pump: 976 nm-es szálcsatolt lézerdióda J. Fekete, A. Cserteg, Szipıcs; All-fiber, all-normal dispersion ytterbium ring oscillator Laser Physics Letters 6, 49-53, 2009

Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Szálintegrált, femtoszekundumos AND Yb-szállézer Mért jellemzık: spektrális sávszélesség és impulzushossz


Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Szálintegrált, femtoszekundumos AND Yb-szállézer Mért jellemzık: hangolhatóság


Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Szálintegrált, femtoszekundumos AND Yb-szállézer Mért jellemzık: zajtulajdonságok

D. Csáti, R. Szipıcs; elıkészületben

Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Szálintegrált, femtoszekundumos AND Yb-szállézer Mért jellemzık: zajtulajdonságok L: kisfrekvenciás zajteljesítmény, H: nagyfrekvenciás zajteljesítmény, S: jelteljesítmény

D. Csáti, R. Szipıcs; elıkészületben

Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Femtoszekundumos Yb-szálerısítı Yb szálerısítı felépítése Mért bemeneti spektrum

Posc ~ 2-5 mW Ppreamp ~ 40-60 mW Pamp ~ 600 - 900 mW τ ~ 300-400 fs (kompresszált)

Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Femtoszekundumos Yb-szálerısítı A kompresszor felépítése Mért tipikus kimeneti spektrum

Intenzitás (rel. egys.)

60000

40000

20000

0 1028

1030

1032

1034

1036

1038

1040

Hullámhossz (nm)

Paraméter

λ [nm]

Lg [cm]

d [mm]

γ [°]

P ~ 600 - 900 mW

Érték

1030

4

1/1500

34

τ ~ 300-400 fs (kompresszált)

Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer

Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer Nemlineáris frekvenciakonverzió fotonikus kristály szálakban

Gerjesztési hullámhossz: 880 nm Hasonló görbéket kapunk a teljes, 800 - 880 nm-es tartományon

Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer Yb-szálban erısített spektrum és mért autokorrelációs függvény

A rácspártól származó harmadrendő diszperzió mellékcsúcsot eredményez az idıalakban,

ez a minta felesleges melegedését okozza

Megoldás: impulzuskompresszió RDS HC-PBG optikai szálakkal (ld. késıbb!)



Diszperziókompenzálás fordított diszperziós meredekségő, üreges fotonikus kristály szálakkal

Z. Várallyay, K. Saitoh, A. Szabó, R. Szipıcs: Photonic bandgap fibers with resonant structures for tailoring the dispersion, Optics Express 17, 11869-11883 (2009)

Diszperziókompenzálás fordított diszperziós meredekségő, üreges fotonikus kristály szálakkal

Z. Várallyay, K. Saitoh, A. Szabó, R. Szipıcs: Photonic bandgap fibers with resonant structures for tailoring the dispersion, Optics Express 17, 11869-11883 (2009)


HC-PBG szállal diszperziókompenzált Yb-szálerısítı


Impulzuskompresszió üreges PBG szállal


Impulzuskompresszió üreges PBG szállal Faraday izolátor szerepe HC szál kettıstörése (polarizációs állapot beállítása szükséges)

3D képalkotás elve

3D képalkotás, lineáris módszerek (OCT) Alkalmazások: pl. retina vizsgálata, szív koszorúér diagnosztika

J. Fujimoto et al. Optics Express Vol. 10, No. 7, 8 April 2002

Normált abszorpció

Normált fluoreszcencia

Fluoreszcencia, fluoreszcencia mikroszkópia

Hullámhossz

Jablonski diagram •

Tipikus fluoreszcencia élettartam ≈ 1-10 ns

•

Módusszinkronizált lézerek tipikus ismétlési frekvenciája ≈ 76 MHz -> 13 ns

Mit és hogyan mérünk? •

Különbözı sejtalkotók morfológiáját (pl. mitokondriális hálózat, sejtváz, stb. elhelyezkedését a sejten belül), vagy gyógyszerkészítmények eloszlását, bırön keresztül történı bejutását - specifikusan kötött festékekkel, vagy a sejtalkotó maga fluoreszkál természetes fluorofór, vagy a fehérjébe „beépített” GFP, YFP, stb.)

•

(pl.

Fiziológiáját (ion-koncentrációt, pl. idegsejtek esetében Ca2+-, Na+-ion koncentrációt, membránpotenciált feszültségérzékeny festékekkel vagy SHG-vel, kémhatást (pH), metabolikus állapotot)


3D képalkotás konfokális mikroszkóppal egyfotonos gerjesztés

Kétfoton abszorpciós fluoreszcencia Az egy- és a kétfoton abszorpciós fluoreszcencia

Gerjesztés

Fluoreszcencia emisszió

ω/2 Gerjesztés

Fluoreszcencia emisszió

ω ω/2

ω/2

ω

Egyfotonos vs. kétfotonos gerjesztés 2 foton csak a fókusz kis környezetében gerjeszt


3D fluoreszcencia mikroszkópia természetes fluorofórok

Lepkeszárnyról kétfoton abszorpciós fluoreszcencia mikroszkópiával készített 2D metszetkép (balra) Lepkeszárnyról fluoreszcencia mikroszkópiával CCD kamerával készített 2D kép (jobbra) az MTA SZFKI-ban

A kétfoton mikroszkóppal készített kép sokkal tisztább, részletgazdagabb!

Természetes fluorofórok a bırben kollagén, elasztin

Hans Georg Breunig, Hauke Studier and Karsten König, Opt. Exp. 18, 7857 (2010)

Természetes fluorofórok a bırben kollagén, elasztin, keratin


Természetes fluorofórok a bırben Természetes fluorofórok mért gerjesztési spektruma


3D fluoreszcencia mikroszkópia természetes fluorofórok

Harangvirág száráról kétfoton abszorpciós fluoreszcencia kép kép az MTA SZFKI-ban

2D és 3D fluoreszcencia mikroszkópia

LSM 710 MP Axio Examiner kétfoton mikroszkóp az MTA SZFKI-ban (Carl Zeiss)

Kétfoton abszorpciós fluoreszcencia mikroszkópia A pásztázó kétfoton abszorpciós fluoreszcencia mikroszkópia elve

Módusszinkronizált lézer

IR gerjesztı fény

Szkennelı tükrök (x,y)

Szkenlencse Színszőrı üveg Nanoszekundumos impulzustávolság

Femtoszekundumos impulzusszélesség

Dikroikus tükör

Fotoelektronsokszorozó

PM T Látható fluoreszcens fény

Z-fókusz

Objektív Preparátum

Denk, W., Strickler, J. H. and Webb, W. W. (1990) 2-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science 248, 73-76.

A kétfotonos gerjesztés következményei a fluoreszcencia mikroszkópiában • 2 foton gerjesztés valószínősége ~ I2 ~ 1/z4 (fókusztól való távolság) → Csak a fókusz kis környezetében gerjeszt →Nincs szükség térbeli szőrésre (szórt fény is hasznos jel) → Használható nagy NA objektív → Fluoreszcencia fény nagy része detektálható → Nagy jel/zaj viszony

Optikai ablak: 600..1200 nm

3D képalkotás nemlineáris mikroszkóppal A CARS mikroszkópia elve

Conor L. Evans and X. Sunney Xie, Annu. Rev. Anal. Chem. 2008. 1:883–909

3D képalkotás nemlineáris mikroszkóppal

3D képalkotás CARS mikroszkópiával

3D képalkotás FLIM mikroszkópiával

Metabolic imaging of the relative amounts of reduced NADH and FAD and the micro environment of these metabolic electron carriers can be used to noninvasively monitor changes in metabolism. Metabolic imaging of the relative amounts of reduced NADH and FAD and themicroenvironment of thesemetabolic electron carriers can be used to noninvasively monitor changes in metabolism, 19494–19499, PNAS, December 4, 2007, vol. 104, no. 49

A BİR TERMIKUS KÁROSODÁSA

Biztonságtechnikai vizsgálatok: Két-foton képalkotás során károsító tényezık lehetnek: - hı- és mechanikai - akusztikai károsító hatások - fotokémiai (intracell. kromofórok két foton excitációja következtében alakul ki, sejtes rendszerekben ez a károsodás teljesen hasonló az UV besugárzás által okozotakkal) Ciklobután-pirimidin dimerek (CPD) képzıdése: - UVB és UVC sugárzás által kiváltott elváltozások

UVB-vel besugarazott egérbır CpD fluoreszcens jelölése Alexa514-el

CPD szigetek kialakulása UV-B fény hatására Haluszka Dóra, SE


A nemlineáris mikroszkópia (pl. 2P, SHG, CARS) lehetıvé teszi az emberi bır nagyfelbontású, in vivo vizsgálatát kb. 0.2 mm mélységig az ú.n. optikai ablak (600 - 1300 nm)

A nemlineáris mikroszkópiás vizsgálatok során a fı roncsolási mechanizmus termikus eredető: kavitáció képzıdik az epidermisben túl nagy hıterhelés esetén

Egyszerő hıdiffúziós modell alkalmazható a femtoszekundumos lézerek hatásának leírására

A termikus terhelés hatásának csökkentése alapvetı fontosságú az emberi bır in vivo vizsgálatához


Az elnyelt fotonpárok száma idıegység alatt:

ahol A a fókuszált nyalábátmérı, E az impulzusenergia, f a lézer ismétlési frekvenciája, τ pedig az impulzushossz

A kétfoton gerjesztési valószínőség lineáris függvénye az ismétlési frekvenciának, viszont négyzetesen függ az impulzus energiától

Az ismétlési frekvencia csökkentése nagyobb fluoreszcencia jelet eredményez ( kb. ~ 4 MHz -ig)!

B. R. Masters, P. T. C. So, C. Buehler, N. Barry, J. D. Sutin, W. W. Mantulin, E. Gratton, "Mitigating thermal mechanical damage potential during two-photon dermal imaging," J. Biomed. Opt. 9, 1265-1270 (2004).

22 MHz-es és 76 MHz-es Ti-zafír lézerek összehasonlítása 2P mikroszkópban Minta: fluoreszcens gyöngy A fluoreszcencia jel várt növekedése:

C 22, 2 MHz C 76 MHz

Kétfoton gerjesztés

=

Parabolák illesztése a mért adatokra

76 MHz = 3,45 22,2 MHz 2 C22, 2 MHz ⋅ Pátlag 2 C76 MHz ⋅ Pátlag

(800 nm-en)

 1 δ (λ )  2 N ∝ ⋅ Pátlag 2  f A τ  ism 

C

Mért arány:



= 3,33

= 1,82

Fluoreszcencia jel (rel. egys.)

250

200

22,2 MHz

150

76 MHz

100

50

76 MHz 22,2 MHz

0 200

Kisebb Kisebbtermikus termikusterhelés terhelés22,2 22,2MHz-en MHz-en

400

600

800

1000

Gerjesztés átlagteljesítménye (µW)

1200

Hangolható hosszúrezonátoros Ti-zafír lézer alkalmazása a nemlineáris mikroszkópiában

.

Szipıcs R, Antal P, Szigligeti A, Kolonics A; Tunable, Low Repetition Rate, Femtosecond Pulse Ti:Sapphire Laser for In Vivo Imaging by Nonlinear Microscopy; In: OSA: BODA/NTM/OMP/OTA, 2011

22 MHz-es és 76 MHz-es Ti-zafír lézerek összehasonlítása 2P mikroszkópban b)

Signal level (a.u.)

Signal level (a.u.)

a)

c)

200 100 0

0

50

100 150 Position ( µm)

200

d)

200 100 0

0

50

100 150 Position ( µm)

200

Egérbırön mért autofluoreszcencia (a) a 76 MHz-es és a (b) 22 MHz-es lézer esetében, 3 mW-os gerjesztések esetén P. Antal, R. Szipıcs: Tunable, low-repetition-rate, cost-efficient femtosecond Ti:sapphire laser for nonlinear microscopy, Appl. Phys. B, közlésre elfogadva (2011)

A hosszúrezonátoros Ti-zafír lézer alkalmazása nanorészecskék követésére a bırben

Examination of Alexa-514 labelled nanoparticle penetration into unhaired mouse dorsal skin by Low Repetition Rate Ti:Sapphire laser after 2 hours. In case of A.P. Nanoparticle and Penetration Enhancer optimal activation of dentitic Langerhans cell was performed. This special pretreatment was omitted in case of A.P. Nanoparticle section, where only nanoparticles suspension was dropped onto the skin surface. Control section was to inform about the basal state of skin autofluorescence after 2PE. The data suggested that nanoparticles penetrated far better in case of Langerhans challenge reaching 60-80 µm depth after 2 hour.

Kétfoton mikroszkópia az idegtudományokban

Kétfoton mikroszkópia az idegtudományokban

Yb-szállézer/erısítı rendszer használata 2P mikroszkópiában

Minta: egérbır, szırszál Keratin autofluoreszcencia (zöld)

Az Yb-szállézer erısítı rendszer alkalmazása nanorészecskék követésére

Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer használata CARS mikroszkópiához

∆ττ = 0

∆ττ >> 0 autofluoreszcencia (zöld) és CARS jel (piros) gerjesztés: TiS 795 nm + Yb 1030 nm CH2 kötés (zsír): 2845 cm-1 Yb (1030 nm): 9709 cm-1 TiS (795 nm): 12554 cm-1 anti-Stokes jel: 650 nm-en (a piros csatornán)

Honlap: www.fslasers.com

Köszönöm a figyelmet!

Publikációk és hivatkozások

• 44 referált folyóiratbeli cikk és mintegy 125 nemzetközi konferencia kiadvány. CIF: 81,083 • Független hivatkozások száma: 1840

A tézisekhez kapcsolódó válogatott publikációk •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

R. Szipıcs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, F. Krausz, ”Chirped multilayer coatings for broadband dispersion control in femtosecond lasers”, Optics Letters 19 (3), 201-203 (1994) I.F: 2,525 CIT: 229 Ch. Spielmann, R. Szipıcs, A. Stingl, F. Krausz, ”Tunneling of optical pulses through photonic band gaps”, Physical Review Letters 73, 2308-2311 (1994) I.F: 6,626 CIT: 261 P. Kovács, K. Osvay, Zs. Bor, R. Szipıcs, ”Group-delay measurement on laser mirrors by spectrally resolved whitelight interferometry”, Optics Letters 20 (7), 788-790 (1995) I.F: 2,627 CIT: 51 A. Stingl, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz R. Szipıcs, ”Sub-10-fs, mirror-dispersion-controlled Ti:sapphire laser”, Optics Letters 20 (6), 602-604 (1995) I.F: 2,627 CIT: 157 R. Szipıcs, A. Kıházi-Kis, ”Theory and design of chirped dielectric laser mirrors”, Applied Physics B 65, 115-135 (1997) I.F: 1,388 CIT: 62 R. Szipıcs, A. Kıházi-Kis, S. Lakó, P. Apai, A.P. Kovács, G. DeBell, L. Mott, A.W. Louderback, A.V. Tikhonravov, M.K. Trubetskov, ”Negative Dispersion Mirrors for Dispersion Control in Femtosecond Lasers: Chirped Dielectric Mirrors and Multi-cavity Gires-Tournois Interferometers”, Applied Physics B 70, S51-S57 (2000) I.F: 1,193 CIT: 19 S. Lakó, J. Seres, P. Apai, J. Balazs, R.S. Windeler, R. Szipıcs, ”Pulse compression of nanojoule pulses in the visible using microstructure optical fiber and dispersion compensation”, Applied Physics B, 76 (3), 267-275, (2003) I.F: 2,012 CIT: 19 B. Rózsa, G. Katona, E.S. Vizi, Z. Várallyay, A. Sághy, L. Valenta, P. Maák, J. Fekete, Á. Bányász, R. Szipıcs, ”Random access 3D two-photon microscopy”, Applied Optics 46 (10), 1860-1865 (2007) I.F: 1,701 CIT: 8 Z. Várallyay, K. Saitoh, J. Fekete, K. Kakihara, M. Koshiba, R. Szipıcs, “Reversed dispersion slope photonic bandgap fibers for broadband dispersion control in femtosecond fiber lasers”, Optics Express 16 (20) 15603-15616 (2008) I.F: 3,88 CIT: 2 J. Fekete, A. Cserteg, R. Szipıcs, “All-fiber, all-normal dispersion ytterbium ring oscillator”, Laser Physics Letters 6 (1) 49-53 (2009) I.F: 5,502 CIT: 23

Hazai és nemzetközi pályázatokban való részvétel, témavezetések adatai •

1998-2001 OTKA T-029578

•

Development of femtosecond pulse Ti:sapphire laser system utilizing chirped mirrors for dispersion control (Coordinator)

2001-2004 NKFP3-00164/2001 Széchenyi NRP: Nanotechnology (Participant)

•

2005-2006 NKFP 0394/2004 NKFP 0182/2004

•

2005-2007 OTKA T-049296

•

Propagation of ultrashort laser pulses in photonic crystal fibers and fiber amplifiers (Coordinator)

2005-2008 OTKA T-048725

•

National Research and Development Program – New, low dispersion acousto- and electrooptic devices for femtosecond pulse lasers (Sub- coordinator: R.Szipıcs) National Research and Development Program – Pump laser (Coordinator)

Ultrafast linear and nonlinear processes in macromolecules (Sub-coordinator)

2006-2008 NKFP1-00007/2005 National Research and Development Program – Femtobiology (Coordinator)

•

2009-2012 OTKA K-75404

Design and application of photonic crystal fibers for femtosecond pulse optical fiber lasers, laser amplifiers and optical parametric oscillators (Coordinator) TECH-09-A2-2009-0134 National Technology Program, – Development of fiber integrated nonlinear microendoscope for pharmacological and diagnostic examinations based on novel fiber laser technology (Coordinator)

•

2009-2010 SZFKI-R&D Ultrafast Lasers Ltd contract: Development of a tuneable, long cavity Ti:sapphire laser for nonlinear and time resolved studies (Coordinator)

Oktatási tevékenység Diplomamunka témavezetések •

•

•

•

•

•

•

•

Csáti Dániel Módusszinkronizált Yb-száloszcillátor és erısítı rendszer továbbfejlesztése nemlineáris mikroszkópiai alkalmazásokhoz Szegedi Tudományegyetem, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, 2011 Bogár Ferenc Fehér fényő interferométer optomechanikai tervezése optikai elemek diszperziójának mérésére Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Mechatronika, Optika és Mőszertechnika Tanszék, 2008 Sándor Péter Femtoszekundomos idıfelbontásos lézerspektroszkópiai mérırendszer fejlesztése Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Atomfizika Tanszék, 2008 Antal Péter Gyula Kis ismétlıdési frekvenciájú femtoszekundumos lézeroszcillátor tervezése és nagyenergiájú impulzusainak kompressziója optikai szálakkal Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Atomfizika Tanszék, 2007 Császár Balázs Diódapumpált femtoszekundumos Cr:LISAF lézer építése Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Atomfizika Tanszék, 2005 Fekete Júlia Száloptikai rendszer modellezése és mérése kétfoton abszorpciós fluoreszcencia mikroszkóphoz Eötvös Lóránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizikus Szak, 2005 Rózsa J. Balázs 2-foton mikroszkóp építése, fejlesztése és használata hippokampális neuronok méréséhez Eötvös Lóránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizikus Szak, 2002 Bányász Ákos Femtokémiai lézerberendezés számítógépes vezérlı és adatgyőjtı rendszerének kifejlesztése Eötvös Lóránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizikai-Kémiai Tanszék, 2002

Oktatási tevékenység PhD témavezetések •

Antal Péter Gyula Hangolható, hosszú rezonátoros femtoszekundumos titán-zafír lézer fejlesztése nemlineáris mikroszkópiai alkalmazásokhoz; és dielektrikum tükrök csoportkésleltetése, tárolt energiája és vesztesége közötti kapcsolat vizsgálat Eötvös Lóránd University, Faculty of Science, Phisics Doctorate School, 2011

•

Fekete Júlia Investigation and Control of Ultrashort Pulse Propagation in Photonic Crystal Fibers and Fiber Lasers in the Near Infared Wavelenght Region Eötvös Lóránd University, Faculty of Science, Physics Doctorate School, 2009

•

Várallyay Zoltán Krisztián Nonlinear wave propagation and ultrashort pulse compression in step-index and microstructured fibers Budapest University of Technology and Economics Atomic Physics Department, 2006

•

Bányász Ákos Ultragyors kinetikai adatok modellfüggetlen dekonvolúciója, és uracilszármazékok szingulett gerjesztett állapotának tanulmányozása Eötvös Lóránd Tudomány Egyetem, Természettudományi Kar, Kémia Doktori Iskola, 2006

•

Lakó Sándor Femtoszekundumos nemlineáris optikai vizsgálatok Szegedi Tudományegyetem, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, 2002

Oktatási tevékenység Hazai egyetemi kurzusok •

Bevezetés az ultragyors optikába és lézerfizikába (ELTE, 2001, egy félév)

•

Optikai jelfeldolgozás (BME, 2002, egy félév)

•

Femtokémia (ELTE, 2006, egy félév)

•

Optikai jelfeldolgozás (BME, 2006, egy félév)

Oktatás nemzetközi iskolákon •

ICTP Winter College on Ultrafast Nonlinear Optics (18 February - 1 March 2002, Trieste).

•

ICTP Winter College on Biophotonics, (10-21 February 2003, Trieste)

rdtest- és s optikai llézerek fejlesztése nemlineáris mikroszkópi

Recommend Documents