Hochleistungsfaserlaser und deren Wellenlängenerweiterung als flexible Lichtquelle für die biomedizinische Bildgebung

Abstract

Die Anwendung von Faserlasern im Bereich der biomedizinischen Optik gewinnt in den letzten Jahren immer stärker an Bedeutung, da sie bei kompakter Bauweise die Erzeugung kurzer Laserpulse mit hohen Spitzenleistungen ermöglichen. „Master Oscillator Power Amplifier“ (kurz MOPA)-Laser steigern in mehreren Verstärkerstufen die Spitzenleistung einer Laserdiode von einigen Milliwatt auf mehrere Kilowatt. Neben den Vorteilen konventioneller Faserlaser ermöglicht der MOPA-Laser zusätzlich eine beliebige Modulation der Pulse. Mithilfe eines elektro-optischen Modulators werden Pulse aus einer Dauerstrich-Laserdiode ausgeschnitten, wobei Zeitpunkt, Repetitionsrate, Pulsdauer und Pulsform der Pulse frei wählbar sind. Dies ermöglicht Pulse-auf-Abruf und erleichtert die Synchronisation mit anderen Systemen. Eine Limitation dieser Lasersysteme ist jedoch die Beschränkung auf Wellenlängenbereiche, die von der Dotierung des Fasermaterials mit seltenen Erden abhängen aber für die Verstärkung der Pulse notwendig sind. Ziel dieser Arbeit war es, die Spitzenleistung von MOPA-Systemen zu erhöhen und die Wellenlänge mittels nichtlinearer Effekte zu verschieben. Die Verstärkung auf eine hohe Spitzenleistung ist dabei eine große Herausforderung, da hierfür eine hohe Pumpleistung benötigt wird, die wiederum zu unerwünschten Nebeneffekten, wie z.B. einem Untergrundsignal führen kann. Hierfür wurde ein MOPA-System mit mehreren Verstärkerstufen aufgebaut, mit denen das störende Untergrundsignal minimiert und so höhere Spitzenleistungen ermöglicht wurden. In der letzten Verstärkerstufe wurde eine Faser mit 25 µm Kerndurchmesser eingesetzt, die nichtlineare Effekte im Laser reduziert und damit eine schmale Linienbreite für eine anschließende gezielte nichtlineare Wellenlängenkonversion erlaubt. Eine Spitzenleistung von 91 kW wurde auf diese Weise erreicht. Ausgehend von dem optimierten 1063 nm MOPA-Laser und einem 1300 nm „Fourier Domain Mode Locked“ (kurz FDML)-Laser konnte mittels degeneriertem Vier-Wellen-Mischen (engl. „four wave mixing“, kurz FWM) in einer photonischen Kristallfaser (engl. „photonic crystal fiber“, kurz PCF) eine schmalbandige Verstärkung bei 1300 nm und eine Konversion zu 900 nm erzielt werden. Dieser Wellenlängenbereich eignet sich beispielsweise zur Anregung von grün fluoreszierendem Protein in der Zwei-Photonen-Mikroskopie. Durch die parametrische Verstärkung im FWM-Prozess konnten die 1300 nm auf 1,4 kW verstärkt und gleichzeitig Pulse mit 2,7 kW um 900 nm erzeugt werden. Dabei kann die Wellenlänge mit der Durchstimmgeschwindigkeit des FDML-Lasers geändert werden und erreicht eine Bandbreite von 105 nm um 1300 nm und 54 nm um 900 nm. Dieses Ergebnis ist besonders relevant für schnelle Versionen der Zwei-Photonen- und Raman-Mikroskopie, da es sowohl die Zahl der erreichbaren Fluorophore erhöht als auch die Abdeckung der Raman-Banden erweitert. In der Raman-Mikroskopie könnte die hohe Spitzenleistung des abstimmbaren Abtastlasers eine epi-direktionale Detektion und damit den Einsatz in Endoskopen ermöglichen. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die hohe Spitzenleistung in einer längeren PCF für die Erzeugung eines breitbandigen Superkontinuums von 490 nm bis über 1750 nm verwendet werden kann. Nach zeitlicher Streckung mittels Dispersion in einer langen Glasfaser wurde es für hyperspektrale Bildgebung eingesetzt. Erste Bilder im roten Wellenlängenbereich konnten generiert werden, während die Leistung im grünen und blauen Wellenlängenbereich noch optimiert werden muss, um korrekte Farbbilder darzustellen. Künftig muss die Leistung in diesen Wellenlängenbereichen erhöht und Verluste reduziert werden, um das Superkontinuum für eine zeitlich gestreckte hyperspektrale Bildgebung im Sichtbaren vollständig nutzen zu können. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden aktiv modulierte MOPA-Systeme durch eine gezielte Leistungssteigerung und Wellenlängenerweiterung erfolgreich für die biomedizinische Bildgebung optimiert. Dadurch wurde ein extrem flexibles System geschaffen, welches die Grundlage für verschiedene zukünftige Anwendungen bildet.