Superkontinuum-Pulsquelle für zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen in lebenden Zellen
Projektkooperation: PicoQuant und Laserzentrum Hannover entwickeln neue Laserquellen
Die mittelständische PicoQuant GmbH aus Berlin und das Laserzentrum Hannover e.V. (LZH) haben in ihrem Projekt WhiSPER³ Laserquellen entwickelt, die sich in ihrer Pulsfolge und Farbe ändern lassen. Diese sollen dazu dienen, mittels Fluoreszenzanregung Vorgänge in biologischen Zellen auf molekularer Ebene zu beobachten.
Mikroskopische Aufnahme der Zellstruktur eines Apfelschnitts. Gezeigt ist die gemessene Fluoreszenzlebensdauer in einer Falschfarbendarstellung. Die unterschiedlichen Farben (Lebensdauern) erlauben u. a. einen Rückschluss auf die jeweilige Zellumgebung.
© PicoQuant GmbH
Laserlicht im sichtbaren Spektralbereich (Superkontinuum) wird über Optiken abgebildet, gefiltert und mit beliebiger Bandbreite selektiert.
© PicoQuant GmbH
Aus dem „weißen“ Laserlicht lässt sich mittels geeigneter Optiken die jeweils für die Anwendung benötigte Farbe extrahieren. Mit einem solchen Laser ließen sich alle bedeutsamen Farbstoffe, die zur Untersuchung von lebenden Zellen eingesetzt werden, aus einer einzigen Quelle anregen, was die Komplexität entsprechender Geräte deutlich geringer und damit einfacher nutzbar machen wird.
Verstärkte Pulse: Optische Ausgangsleistung von mehreren Kilowatt
Grundlage für einen solchen „durchstimmbaren“ Laser ist zunächst die Erzeugung eines Superkontinuums, also Laserlicht, welches ein extrem verbreitertes optisches Spektrum besitzt. Dies lässt sich durch die gezielte Ausnutzung nichtlinearer Effekte in speziellen Fasern, den Photonischen Kristallfasern (PCF), erreichen.
Da nichtlineare Effekte erst bei sehr hohen Spitzenleistungen einsetzen, kommt es darauf an, möglichst kurze und intensive Pulse zu erzeugen. Um außerdem die Wiederholfrequenz frei wählbar zu gestalten, beginnt der Signalweg in diesem Projekt, anders als in existierenden Lösungen, mit einer gewinngeschalteten Laserdiode. Diese liefert mit der bei PicoQuant vorhandenen Technologie Pulse von weniger als 100 Pikosekunden Breite in einem sehr weiten Bereich an Pulswiederholfrequenzen. Die Spitzenleistung beträgt dabei jedoch nur wenige hundert Milliwatt.
Um die erforderlichen hohen Leistungsdichten zu erreichen, wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Laserzentrum Hannover ein mehrstufiger Faserverstärker entwickelt, der die optische Ausgangsleistung auf Spitzenwerte von mehreren Kilowatt anhebt. Die so verstärkten Pulse mussten dann in eine geeignete PCF eingekoppelt werden, um die gewünschten Effekte der spektralen Verbreiterung zu erzielen. Bis das Spektrum in seiner gewünschten Breite erreicht war, bedurfte es vieler Optimierungsschritte an den vielfältigen Parametern von Faserverstärker und PCF.
Wartungs- und justagefreies optisches System in geschlossenem Faseraufbau
Eine Mikrokontroller-Steuerung sorgt schließlich dafür, dass ein Betrieb bei verschiedenen Pulswiederholfrequenzen mit annähernd konstanten Ausgangsparametern möglich ist. Für ein Maximum an Zuverlässigkeit wurden spezielle Spleisstechniken entwickelt, die verschiedenartige Fasern verlustarm und dauerhaft miteinander verbinden. Damit gelang es, ein sehr heterogenes und komplexes optisches System in einem komplett geschlossenen Faseraufbau wartungs- und justagefrei zu realisieren.
Ein Funktionsmuster, das zum Projektende vorgestellt wurde, liefert ein breitbandiges Ausgangssignal mit einer Leistungsdichte von etwa 1 mW/nm. Die kürzeste Wellenlänge liegt bei 480 nm womit nahezu der gesamte sichtbare Spektralbereich abgedeckt wird.
Für die Nutzung als durchstimmbare, monochromatische Lichtquelle wird nach Superkontinuumserzeugung noch ein variabler optischer Filter mit hoher Auslöschung der benachbarten Wellenlängen benötigt. Bild 2 zeigt einen solchen Filteraufbau, basierend auf Reflexionsgittern, im praktischen Einsatz.
BMBF-Verbundprojekt WhiSPER³
Der Verbund WhiSPER³ wurde im Juli 2010 von den Projektpartnern, der PicoQuant GmbH in Berlin und dem Laserzentrum Hannover e.V., gestartet und Ende Juni 2012 erfolgreich abgeschlossen. Das Projekt wird im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Optische Technologien“ vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit knapp 600.000 Euro gefördert. Mit der Projektträgerschaft hat das BMBF die VDI Technologiezentrum GmbH beauftragt.
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