ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ LASER http://www.physics.upatras.gr/laserlab LASER και ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΟΜΙΛΗΤΗΣ Πέτρος Περσεφόνης Καθηγητής
L A S E R
Παλαιά Διαθήκη (Γένεση) και είπεν ο Θεός, Γενηθήτω φως ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΤΟΥ MAXWELL και εγένετω φως.
Το μοντέλο του Bohr για το άτομο Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε σταθερές τροχιές. Τα ηλεκτρόνια σε μια από αυτές τις σταθερές τροχιές έχουν καθορισμένη ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια όταν μεταπίπτουν σε υψηλότερες ή χαμηλότερες τροχιές απορροφούν ή ακτινοβολούν ενέργεια αντίστοιχα.
ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΥΘΟΡΜΗΤΗ ΕΚΠΟΜΠΗ
ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΕΚΠΟΜΠΗ
Ν 1 : πληθυσμός κάτω στάθμης Ν 2 : πληθυσμός πάνω στάθμης Ε 2 N 2 ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Ν 1 >Ν 2 Ε 1 N 1 Θεμελιώδης κατάσταση ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ Ε 2 N 2 Ν 1 <Ν 2 Ε 1 N 1 Αναστροφή πληθυσμών ΕΚΠΟΜΠΗ
I = I 0 exp ( α )
Οπτικό Αντηχείο Τα δύο κάτοπτρα παίζουν το ρόλο του οπτικού αντηχείου Ενισχύουν τα μήκη κύματος της Η/Μ ακτινοβολίας που σχηματίζουν στάσιμα κύματα (τρόποι ταλάντωσης) L = q λ 2 q = πολύ μεγάλος ακέραιος αριθμός λ = c/ν c ν = q 2 L L
λ n = 2 L/n Δ ν = c/2 L Ηδιαφορά συχνοτήτων δύο γειτονικών τρόπων: Δ ν = c 2L
1 0. 5 E 1 =E 0 cosωt 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0-0. 5-1 1 E 2 =E 0 cos(ω+δω)t 0. 5 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0-0. 5-1 2 Διακροτήματα 1 E=E 1 +E 2-1 20 40 60 80 100-2 4 3 I E 2 2 1 2 0 4 0 6 0 8 0 1 00
20-ταλαντώσεις 10-ταλαντώσεις 4-ταλαντώσεις 2-ταλαντώσεις 400 100 4 15 80 12.5 300 3 10 60 200 7.5 2 40 5 100 120 2.5 50 100 100 150 150 200 200 50 100 150 200
Στα Laser οι ρυθμοί ταλάντωσης είναι κύματα που οι συχνότητές τους ισαπέχουν μεταξύ τους με πολύ μικρή διαφορά συχνότητας Δ ν = c/2 L. λ n = 2 L/n Δ ν = c/2 L Επομένως ισχύουν όσα είπαμε για τα διακροτήματα
ΚΛΕΙΔΩΜΕΝΗ ΤΥΧΑΙΑ φάση των φάση ρυθμών των ρυθμών laser laser Ακτινοβολία με το χρόνο Χρόνος Όσο περισσότεροι οι κλειδωμένοι ρυθμοί ταλάντωσης τόσο στενότερος οπαλμός Laser
ΑΚΛΕΙΔΩΤΟΙ ΡΥΘΜΟΙ ΚΛΕΙΔΩΜΕΝΟΙ ΡΥΘΜΟΙ
Πως κλειδώνονται οι ρυθμοί; Gain ΑΟ μερικά picoseconds (10-12 sec)
I (ω) Από τους picosecond (10-12 sec) στους femtosecond (10-15 sec) παλμούς Φαινόμενο Kerr (n = n 0 + n 2 I) I (t) I (ω) Μη γραμμικό υλικό n = n 0 + n 2 I(t) 2π φ = [ n ] 0 + n2i() t L λ Δ ω = dφ dt ω o n o Δημιουργία νέων συχνοτήτων n(t) Δφ() t Δω() t
n = n 0 + n 2 I(t) Αυτοδιαμόρφωση φάσης Συμπίεση με διασπορά ομαδικής ταχύτητας (GVD) Στενότερος παλμός μερικά femtoseconds (10-15 sec)
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
STATE OF THE ART ΣΤΕΝΟΙ ΠΑΛΜΟΙ (FEMTOSECOND) Η τεχνολογία της απεικόνισης εκμεταλλεύεται τις εξής ιδιότητες τους των Femtosecond παλμών Laser : A. Πολύ μικρή διάρκεια παλμών B. Πολύ μεγάλη ισχύς του παλμού C. Μερικά σύμφωνο φως
Α) Πολύ μικρή διάρκεια παλμών Μελέτη πολύ γρήγορων φαινομένων π.χ. μέτρηση του φθορισμού χρωστικών χημικών ενώσεων που έχουν μικρό χρόνο ζωής φθορισμού. Τέτοιες χρωστικές βρίσκονται σε βιολογικά δείγματα Οχρόνος ζωής φθορισμού (τ) είναι η υπογραφή της χρωστικής. Η μεταβολή του χρόνου ζωής εκφράζει την επίδραση του περιβάλλοντος στη χρωστική.
Nd:YVO 4 CW 532nm Ti:Sapphire Παλμοί 80fs 800nm 80fs ω ΙR ω SIG = ω IR + ω PUMP λ/2 ω pump ΒΒΟ 1 Μονοχρωμάτορας ω SIGNAL Πολυμερικό δείγμα ω pump ω ΙR Γραμμή χρονικής Καθυστέρησης τ ΒΒΟ 2 ω SP ω ΙR Φωτοπολλαπλασιαστής Φίλτρα
Φθορισμός (ω sp ) Παλμός Διέγερσης (ω pump ) Ένταση ω PUMP ω IR Μονοχρωμάτορας 0 Χρόνος (psec) t Δείγμα Γραμμή χρονικής καθυστέρησης τ ω SIGNAL ω SP ΒΒΟ2 Μίξη Συχνοτήτων (ω SIGNAL ) Φθορισμος (ω SP ) Καθυστερημένος Παλμός (ω IR ) Ένταση t t I = I 1 exp + I 2 exp τ 1 τ 2 Ένταση 0 Χρόνος (psec) t 0 Χρόνος (psec) t
ΒΙΟ-ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ένα βιο-ιατρικό δείγμα περιέχει χρωστικές ανομοιόμορφα κατανεμημένες μέσα στον υπό μελέτη ιστό. Επομένως πρέπει να σαρώσουμε το δείγμα για να το απεικονίσουμε. Μέτρηση του χρόνου φθορισμού (τ ~ μερικά psec) των διαφόρων χρωστικών σε κάθε σημείο του δείγματος. FLUORESCENCE-LIFETIME IMAGING (FLIM) Αντί να γράψουμε έναν αριθμό (τ) σε κάθε σημείο της εικόνας αντιστοιχούμε τη χρονική κλίμακα με χρωματική κλίμακα. Παρέχει δομική και λειτουργική πληροφόρηση του υπό μελέτη ιστού όπως απαιτείται για την ιστοπαθολογία.
Η τεχνική FLIM δίνει τη δυνατότητα: Να αναλύουμε δείγματα που περιέχουν μείγμα χρωμοφόρων με διαφορετική εκθετική απόσβεση του φθορισμού. Να διακρίνουμε διαφορετικά χρωμοφόρα Να απεικονίσουμε αλλαγές στο τοπικό περιβάλλον (PH) οι οποίες τροποποιούν το χρόνο φθορισμού του χρωμοφόρου (τ). Παράδειγμα Στον προσδιορισμό της αλληλουχίας των βάσεων του DNA οι διαφορετικές βάσεις μπορούν να χρωματιστούν με δυο διαφορετικά χρωμοφόρα Με προσαρμογή της παρατηρούμενης καμπύλης μείωσης του φθορισμού στην εξίσωση t t I = I exp I exp 1 + τ 2 τ 1 2 I1 Υπολογίζουμε το λόγο I 2 με το λόγο των συγκεντρώσεων των βάσεων
Β) Πολύ μεγάλη ισχύς του παλμού ΔΙΦΩΤΟΝΙΚΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Διέγερση Φθορισμός Εκπομπή Διέγερση Χρόνος ζωής περ. 0,1fs Φθορισμός Εκπομπή λ λ
Διεύθυνση δέσμης Δείγμα Εστιακός όγκος ~100 femtolitre
Διφωτονική μικροσκοπία Femtosecond Laser Κάτοπτρα Διχρωικό κάτοπτρο Obj. Lens Δείγμα * PMT Computer z=0 z=1 z=2 z=3 z=4
ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ 15 μm Διαχωρισμός φυτικών κυττάρων 7.5 μm Η διφωτονική μικροσκοπία (800nm) είναι λιγότερο καταστροφική για τα κύτταρα παρά η μονοφωτονική μικροσκοπία (400nm)
Διφωτονική μικροσκοπία Απλή μικροσκοπία
Τρισδιάστατες οπτικές μνήμες Επίπεδο 1 Επίπεδο 2 Επίπεδο 3 20μm Επίπεδο 1 4μm a) b) Fluorescence (a.u) 90 85 80 75 70 65 60 55 50 Irradiation time (ms) 80 100 120 140 160 180 200 220 240 45 45 0 5 10 15 20 X axis(μm) 10μm 90 85 80 75 70 65 60 55 50 Fluorescence (a.u) 10μm Irradiation time (ms) 80 100 120 140 160 180 200 220 240 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 0 5 10 15 20 X axis (μm) Fluorescence (a.u) 10μm Irradiation time (ms) 80 100 120 140 160 180 200 220 240 110 110 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 0 5 10 15 20 X axis (μm) Επίπεδο 2 Επίπεδο 3 z x y
C) Μερικά σύμφωνο φως Απεικόνιση διαμέσου ιστών
Ο James Fugimoto από το ΜΙΤ ανέπτυξε μια τεχνική απεικόνισης μέσω των βαλιστικών φωτονίων Optical coherence tomography OCT Σύμφωνη πηγή Συμβολόμετρο Michelson Πηγή φωτός Αξονική Ανάλυση Ανιχνευτής Μερικώς σύμφωνη πηγή
Πηγή ευρέως φάσματος Διαχωριστής δέσμης Ανιχνευτής Θέση απλής ανάκλασης Περιβάλουσα σάρωσης Οπτική γραμμή καθυστέρησης Ησυμβολή συμβαίνει όταν τα σήμα αναφοράς και το σήμα από τα βαλιστικά φωτόνια ταξιδεύουν την ίδια οπτική απόσταση (μέσα στο μήκος συμφωνίας)
Δημιουργία Τομογραφικής Εικόνας Backscatter Intensity Εγκάρσια σάρωση Axial Scanning (Depth)
ΟΠΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ Εικόνα οπτικής τομογραφίας ενός οφθαλμού (in vivo)
Εμπορικά συστήματα σε νοσοκομεία
Ανάλυση (log) 1 mm Υπέρηχοι 100 μm 10 μm 1 μm Διφωτονική μικροσκοπία OCT Βάθος διείσδυσης (log) 1 mm 1 cm 10 cm
Βλέποντας βαθύτερα (μερικά cm) Αντίστροφο πρόβλήμα Μέτρηση του σκεδαζόμενου φωτός με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια και υπολογισμός της κατανομής της ύλης η οποία θα μπορούσε να αναπαράγει το μετρούμενο σήμα. Οι υπολογισμοί εκμεταλλεύονται στατιστικά μοντέλα της μεταφοράς φωτονίων και έχουν διαφορετικούς βαθμούς ακρίβειας Θεωρώντας την πιο πιθανή διαδρομή των φωτονίων ανιχνεύεται ο ιστός και οι αλλαγές στις οπτικές τους ιδιότητες. Η ακρίβεια μεγιστοποιείται μετρώντας τα φωτόνια τα οποία φτάνουν πρώτα στους ανιχνευτές. Με τη βοήθεια και άλλων τεχνικών (MRI) στοχεύεται στο μέλλον η απεικόνιση της δραστηριότητας του εγκεφάλου και της ανθρώπινης σκέψης.