Femtoszekundumos szilárdtest rdtest- és s optikai száll llézerek fejlesztése se és s alkalmazásaik a nemlineáris mikroszkópi piában (habilitáci ciós s elıad adás) Szipıcs Róbert MTA Szilárdtestfizikai és s Optikai Kutatóint intézet E-mail: szipoecs@s @sunserv.kfki.hu 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 τ állandó Femtoszekundumos lézermőködés alapvetı feltételei: Nagy sávszélességgel rendelkezı erısítı közeg Módusszinkronizálás (pl. Kerr-lencsés) Diszperziókompenzálás (szolitonszerő impulzusformálódás)
Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai A Ti-zafír kristály, mint nagy sávszélességgel rendelkezı erısítı közeg
Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai A Cr:LISAF kristály, mint nagy sávszélességgel rendelkezı erısítı közeg
Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai A módusszinkronizálás
Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai Kerr-lencsés módusszinkronizálás
Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai A diszperzió hatása az impulzusokra
Femtoszekundumos lézerek mőködésének alapjai Kisveszteségő diszperziókompenzálás prizmapárral és csörpölt tükrökkel < GDD < 0 λ 1 λ 2 a λ 3 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)
< 10 fs-os tükörkompenzált Ti-zafír lézer A. Stingl, Ch. Spielmann, F. Krausz, R. Szipıcs, Opt. Lett. 19(3), 204 (1994)
< 10 fs-os tükörkompenzált Ti-zafír lézer A. Stingl, Ch. Spielmann, F. Krausz, R. Szipıcs, Opt. Lett. 19(3), 204 (1994)
< 10 fs-os tükörkompenzált Ti-zafír lézer 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 M6 M7 OC λ > 80 nm M3 CP M5 M4 Pump 532 nm M2 M1 R = -50 mm Ti:S R = -50 mm ν τ 0.315 U. S. Pat. No.: 5, 734, 503 λ>80 nm, τ< 10 fs SHG intensity (a.u.) 8 7 6 5 τ < 10 fs 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 withλ-track Extend the Reach of Multiphoton Microscopy Transmission 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 60 50 40 30 20 10 0 500 750 1000 1250-10 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 350 Average output power (mw) 300 250 200 150 100 MW OC SW OC 50 700 750 800 850 900 Wavelength (nm) 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, τ FHHW < 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 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 Diszperzió kompenzálás: extrém kis veszteségő, ionosan porlasztott MCGTI tükrökkel 0 100.00 GROUP DELAY DISPERSION (fs 2 ) -20-40 -60-80 -100-120 -140 REFLECTANCE (%) 99.98 99.96 99.94 99.92 800 810 820 830 840 850 860 870 880 WAVELENGTH (nm) 99.90 780 800 820 840 860 880 900 WAVELENGTH (nm) 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 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 Group Delay Dispersion (fs 2 ) 50 0-50 -100-150 -200 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 Wavelength (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)
PPLN OPO és SHG egység idıfelbontésos lézerspektroszkópiai mérésekhez Spectrometer PC Piezo control Ti:S pump laser (λ = 710-880 nm; τ = 100 fs) HR HR SHG Ti:S HR DM HR CM CM HR HR SHG OPO HR HR HR P CM CM BS HR Filter CM CM Fiber HR PPLN HR L 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 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 legrövidebb impulzusú lézer 1996-ban Az 1999-es kémiai Nobel-díj poszterrıl 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)
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 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: hangolhatóság 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: 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 P osc ~ 2-5 mw P preamp ~ 40-60 mw P amp ~ 600-900 mw τ ~ 300-400 fs (kompresszált)
Femtoszekundumos optikai szállézerek fejlesztése Femtoszekundumos Yb-szálerısítı A kompresszor felépítése Mért tipikus kimeneti spektrum 60000 Intenzitás (rel. egys.) 40000 20000 0 1028 1030 1032 1034 1036 1038 1040 Hullámhossz (nm) Paraméter λ [nm] L g [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!)
Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer
Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer
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)
Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer HC-PBG szállal diszperziókompenzált Yb-szálerısítı
Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer Impulzuskompresszió üreges PBG szállal
Idıben szinkronizált femtoszekundumos hangolható Ti-zafír és Yb-szállézer rendszer 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
Fluoreszcencia, fluoreszcencia mikroszkópia Normált abszorpció Normált fluoreszcencia 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 (pl. természetes fluorofór, vagy a fehérjébe beépített GFP, YFP, stb.) Fiziológiáját (ion-koncentrációt, pl. idegsejtek esetében Ca 2+ -, Na + -ion koncentrációt, membránpotenciált feszültségérzékeny festékekkel vagy SHG-vel, kémhatást (ph), metabolikus állapotot)
3D képalkotás elve
3D képalkotás konfokális mikroszkóppal egyfotonos gerjesztés
Kétfoton abszorpciós fluoreszcencia Az egy- és a kétfoton abszorpciós fluoreszcencia Gerjesztés ω Fluoreszcencia emisszió ω/2 Gerjesztés ω/2 Fluoreszcencia emisszió ω ω/2
Egyfotonos vs. kétfotonos gerjesztés 2 foton csak a fókusz kis környezetében gerjeszt
3D képalkotás elve
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 Hans Georg Breunig, Hauke Studier and Karsten König, Opt. Exp. 18, 7857 (2010)
Természetes fluorofórok a bırben Természetes fluorofórok mért gerjesztési spektruma Hans Georg Breunig, Hauke Studier and Karsten König, Opt. Exp. 18, 7857 (2010)
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) Nanoszekundumos impulzustávolság Dikroikus tükör Szkenlencse Színszőrı üveg PM T Látható fluoreszcens fény Fotoelektronsokszorozó Femtoszekundumos impulzusszélesség 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 ~ I 2 ~ 1/z 4 (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 BİR TERMIKUS KÁROSODÁSA 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
A BİR TERMIKUS KÁROSODÁSA Az elnyelt fotonpárok száma idıegység alatt: ahol A a fókuszált nyalábátmérı, E az impulzusenergia, f a lézer ismétlési frekvenciája,τpedig 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).
Minta: fluoreszcens gyöngy 22 MHz-es és 76 MHz-es Ti-zafír lézerek összehasonlítása 2P mikroszkópban Kétfoton gerjesztés A fluoreszcencia jel várt növekedése: C C (800 nm-en) 22,2MHz 76MHz = 76 MHz 22,2 MHz = 3,45 Parabolák illesztése a mért adatokra C 2 22,2MHz Pátlag C 2 76MHz Pátlag 250 N 1 f ism δ ( λ) P 2 Aτ C 2 átlag C Mért arány: C C 22,2MHz C 76MHz 22,2MHz 76MHz = 3,33 = 1,82 Fluoreszcencia jel (rel. egys.) 200 150 100 Kisebb Kisebb termikus termikus terhelés terhelés 22,2 22,2 MHz-en MHz-en 50 0 22,2 MHz 76 MHz 22,2 MHz 200 400 600 800 1000 1200 Gerjesztés átlagteljesítménye (µw) 76 MHz
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 a) b) Signal level (a.u.) 200 100 c) d) 200 0 0 50 100 150 200 Position (µm) Signal level (a.u.) 100 0 0 50 100 150 200 Position (µm) 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 τ = 0 τ >> 0 autofluoreszcencia (zöld) és CARS jel (piros) gerjesztés: TiS 795 nm + Yb 1030 nm CH 2 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 2001-2004 Development of femtosecond pulse Ti:sapphire laser system utilizing chirped mirrors for dispersion control (Coordinator) NKFP3-00164/2001 Széchenyi NRP: Nanotechnology (Participant) 2005-2006 NKFP 0394/2004 NKFP 0182/2004 2005-2007 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) OTKA T-049296 2005-2008 Propagation of ultrashort laser pulses in photonic crystal fibers and fiber amplifiers (Coordinator) OTKA T-048725 2006-2008 Ultrafast linear and nonlinear processes in macromolecules (Sub-coordinator) 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)