850 nm Fourier domain mode-locked laser for ophthalmic optical coherence tomography imaging
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2025
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Zusammenfassung
Non-invasive imaging techniques have become essential in medical diagnostics over the past few decades. Among these, Optical Coherence Tomography (OCT) offers micrometer resolution with millimeter-scale depth penetration, making it particularly valuable in ophthalmology. OCT captures backscattered light to generate 3D volumes. For eye imaging, wavelengths around 850 nm are ideal due to minimal absorption by the vitreous and high scattering in the upper retinal layers. Imaging speed is also critical, as faster speeds reduce motion artifacts. Swept-source OCT, using wavelength-tunable lasers, enables high-speed imaging. Fourier Domain Mode-Locked (FDML) lasers providing megahertz-level scan rates are ideal for this purpose.
This thesis explores the development and application of FDML lasers for ophthalmic imaging. Unlike other tunable lasers, FDML lasers have a unique design that stores a full sweep in their fiber cavity for hundreds of round trips, avoiding rebuilding of lasing from spontaneous emission after tuning to new wavelengths offering high phase stability and long coherence length necessary for high quality OCT images. A new megahertz FDML laser at 850 nm would merge the unique advantages of this wavelength with the proven benefits of FDML lasers allowing for a low latency, dynamic view of the retina, opening new doors for real-time diagnostics.
The first part delves into the challenges of developing an FDML laser around 850 nm, addressing issues like polarization mode dispersion, chromatic dispersion, and low gain/loss ratios. These factors contribute to the complexity of managing short wavelength OCT lasers, which explain their scarcity to date. The second part presents in-vivo ophthalmic OCT imaging results, with comparisons to other imaging techniques.
The newly designed FDML laser demonstrates strong performance for OCT imaging, achieving an axial resolution below 10 µm, sensitivity above 84 dB, and a ranging depth of 1.4 cm. Also, its high phase stability, with a time jitter of 25 ps over 1,000 sweeps, makes it suitable for phaseresolved techniques. Retinal images were captured at 414,000 axial scans per second using a master-slave based calibration technique, at 828 kHz with bidirectional sweeping, and at 1.7 MHz using optical buffering with a single-k-calibration technique. While increased scattering at 850 nm limits choroidal imaging, most retinal layers of interest are clearly visible.
This FDML laser highlights the advantages of short-wavelength, high-speed imaging and paves the way for new applications.
Beschreibung
Nicht-invasive Bildgebungstechniken haben sich in den letzten Jahrzehnten als unverzichtbarer Standard in der medizinischen Diagnostik etabliert. Unter diesen bietet die optische Kohärenztomographie (Optical Coherence Tomography, OCT) eine mikrometergenaue Auflösung bei Eindringtiefen im Millimeterbereich, was sie besonders wertvoll in der Ophthalmologie macht. Die OCT erfasst rückgestreutes Licht, um dreidimensionale Volumenbilder zu erzeugen. Für die Augenbildgebung sind Wellenlängen um 850 nm ideal, da sie minimale Absorption im Glaskörper und hohe Streuung in den oberen Netzhautschichten aufweisen. Die Bildgebungsgeschwindigkeit ist ebenfalls entscheidend, da höhere Geschwindigkeiten Bewegungsartefakte reduzieren. Die OCT mit schnell durchstimmbaren Lasern (swept source OCT), ermöglicht hochgeschwindigkeitsfähige Bildgebung. Fourier domain mode-locked (FDML)-Laser mit Scanraten im Megahertz-Bereich sind hierfür besonders geeignet.
Diese Dissertation untersucht die Entwicklung und Anwendung eines 850 nm FDML-Lasers für die ophthalmische Bildgebung. Im Gegensatz zu anderen schnell durchstimmbaren Lasern zeichnet sich der FDML-Laser durch sein einzigartiges Design aus, bei dem ein vollständiger Frequenzdurchlauf (sweep) über Hunderte von Umläufen in seinem Resonator gespeichert wird. Dies vermeidet die Notwendigkeit nach den Wiederaufbau der Laseremission aus spontaner Emission nach der Abstimmung auf eine neue Wellenlänge und ermöglicht eine hohe Phasenstabilität sowie eine lange Kohärenzlänge, die für hochwertige OCT-Bilder erforderlich sind. Ein neuer Megahertz-FDML-Laser bei 850 nm würde die einzigartigen Vorteile dieser Wellenlänge mit den bewährten Vorzügen von FDML-Lasern vereinen und so eine latenzarme, dynamische Darstellung der Netzhaut ermöglichen, wodurch neue Türen für Echtzeitdiagnostik geöffnet würden.
Der erste Teil befasst sich mit den Herausforderungen bei der Entwicklung eines FDML-Lasers im Bereich von 850 nm und behandelt Themen wie Polarisationsmodendispersion, chromatische Dispersion und geringe Verstärkung bei hohen optischen Verlusten im Resonator. Diese Faktoren tragen zur Komplexität von OCT Lasern mit kurzen Wellenlängen bei und erklären ihre bisherige Seltenheit. Der zweite Teil präsentiert Ergebnisse der in-vivo ophthalmischen OCT-Bildgebung und vergleicht diese mit anderen Bildgebungstechniken.
Der neu entwickelte FDML-Laser erreicht eine axiale Auflösung von unter 10 µm, eine Sensitivität von über 84 dB und eine Bildgebungstiefe von 1,4 cm. Darüber hinaus ermöglicht die Phasenstabilität des Lasers, mit einer zeitlichen Schwankung von 25 ps über 1.000 Sweeps den Einsatz in phasenauflösenden Techniken. Netzhautbilder wurden mit 414.000 axialen Abtastungen pro Sekunde unter Verwendung einer master-slave-basierten Kalibrationstechnik, mit 828 kHz bei bidirektionalem Durchstimmen und mit 1,7 MHz unter Nutzung von optischer Pufferung mit einer single-k-Kalibrationstechnik aufgenommen. Während die erhöhte Streuung bei 850 nm die Bildgebung der Choroidea einschränkt, sind die meisten relevanten Netzhautschichten deutlich sichtbar.
Dieser FDML-Laser unterstreicht die Vorteile der hochgeschwindigkeitsfähigen Bildgebung bei kurzen Wellenlängen und ebnet den Weg für neue Anwendungen.
Schlagwörter
Laser, OCT, FDML, Ophthalmic imaging, swept source, SS-OCT, Imaging, Optical coherence tomography, Fourier domain mode locked, eye
Zitierform
Institut/Klinik
Institut für Biomedizinische Optik