Takiego lasera jeszcze nie było. Prototypowe rozwiązanie naukowców PWr

Ultrakompaktowy laser, który pomoże dokładnie zobrazować siatkówkę i wcześniej wykrywać choroby oczu stworzyli naukowcy z Wydziału Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. Wyniki swoich badań opublikowali właśnie w renomowanym czasopiśmie naukowym Biomedical Optics Express.

Dr hab. Grzegorz Soboń wraz ze swoim zespołem od 2018 roku pracuje nad nowego typu laserami, będącymi tzw. optycznymi grzebieniami częstotliwości. W ramach projektu „Fiber-based mid-infrared frequency combs for laser spectroscopy and environmental monitoring”, finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej stworzyli właśnie prototyp ultrakompaktowego lasera. – Jest to tzw. laser femtosekundowy, który można stosować w obrazowaniu tkanek biologicznych – wyjaśnia dr hab. Grzegorz Soboń, lider projektu. – Znajdzie on zastosowanie m.in. w obrazowaniu in vivo siatkówki oka, umożliwiając tym samym stworzenie narzędzi do zaawansowanej i wczesnej diagnostyki chorób oczu.

Prototyp, który powstał na Wydziale Elektroniki PWr, ma unikatowe parametry, nieosiągalne przez inne systemy dostępne obecnie na rynku. Laser generuje ultrakrótkie impulsy o czasie trwania 60 fs (60×10-15 sekundy) i długości fali 780 nm (tj. z pogranicza pasma widzialnego i podczerwieni), i umożliwia przestrajanie częstotliwości powtarzania impulsów (tzn. regulowanie odstępu czasowego pomiędzy kolejnymi impulsami). Szczególnie ta ostatnia cecha jest niezmiernie istotna i kluczowa do zastosowań w mikroskopii wielofotonowej, gdyż pozwala dostosować częstotliwość impulsów do konkretnych fluoroforów.

– Pokazaliśmy, że zwiększenie odstępu między impulsami, przy zachowaniu ich czasu trwania, pozwala zwiększyć intensywność sygnału fluorescencyjnego mierzonej próbki – opowiada dr hab. Grzegorz Soboń. – Jest to istotne w przypadku badań tkanek wrażliwych na uszkodzenie, takich jak ludzkie oko, dla których nie można zastosować dużej mocy optycznej.

Naszym naukowcom zależało też na maksymalnym uproszczeniu konstrukcji lasera. I to się im udało. Prototyp nie wymaga żadnego justowania ani kalibracji, może być obsługiwany przez personel medyczny, lekarzy, biologów. - Jest to laser światłowodowy, tzn. światło jest „uwięzione” we włóknach optycznych i opuszcza je dopiero na samym końcu układu, przed mikroskopem dwufotonowym – wyjaśnia naukowiec z PWr. – Dzięki prostej konstrukcji, wykorzystującej nasze „know-how” w zakresie wzmacniania ultrakrótkich impulsów laserowych oraz zjawisk nieliniowych zachodzących w światłowodach, urządzenie to jest także dużo tańsze w produkcji niż konkurencyjny laser tytanowo-szafirowy – dodaje.

Dzięki współpracy z grupą prof. Macieja Wojtkowskiego (laureat Nagrody FNP tzw. „Polskiego Nobla”, pionier w dziedzinie optycznej tomografii koherencyjnej oka) z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk wrocławski laser został zintegrowany z dwufotonowym mikroskopem fluorescencyjnym zbudowanym w IChF.

– Zastosowaliśmy laser do obrazowania wybranych tkanek biologicznych ex vivo, takich jak wątroba żaby, skóra szczura czy wybranych roślin – opowiada dr hab. Grzegorz Soboń. - Pokazaliśmy, że przy zmniejszonej częstotliwości powtarzania impulsów możliwe jest uzyskanie proporcjonalnie większej odpowiedzi fluorescencyjnej, co umożliwia uzyskiwanie znakomitej jakości obrazów tkanek, bez ryzyka ich uszkodzenia. Warto podkreślić, iż parametry promieniowania generowanego przez laser również spełniają wymagania bezpieczeństwa pod kątem zastosowania u ludzi – mówi naukowiec z W4.

Główną konstruktorką lasera jest dr inż. Dorota Stachowiak z Katedry Teorii Pola, Układów Elektronicznych i Optoelektroniki, natomiast badania nad mikroskopią fluorescencyjną zostały przeprowadzone przez dr. inż. Jakuba Bogusławskiego, który doktorat uzyskał na PWr, a obecnie pracuje w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. W zespole pracują też Aleksander Głuszek i Zbigniew Łaszczysz.