DPSS-Laser statt OPO Zehnfache Puls-Wiederholfrequenz

Der DPSS-Laser Tetra wechselt von Puls zu Puls zwischen vier Wellenlängen – und das mit einer Frequenz von 2 kHz.

Basierend auf einem neuen technischen Konzept bringt AMS Technologies einen serienreifen DPSS-Laser auf den Markt. Dabei ist es den Laserspezialisten gelungen, die maximale Umschaltfrequenz von Wellenlänge zu Wellenlänge gegenüber dem frühen Konzept auf nunmehr 2 kHz zu verdoppeln.

Der neue dioden-gepumpte Festkörperlaser (Diode-Pumped Solid-State, DPSS) Tetra gibt sehr kurze Laserpulse (<5 ns) von hoher Energie (bis zu 20 µJ) mit vier Wellenlängen im sichtbaren Bereich ab, die sich besonders gut für die multispektrale fotoakustische Bildgebung eignen. Dabei ist er in der Lage, mit einer sehr hohen Puls-Wiederholfrequenz von 2 kHz von Puls zu Puls zwischen diesen vier Wellenlängen umschalten.

Mithilfe des Raman-Effekts erzeugt der Tetra-Laser aus dem Licht eines 532-nm-Pumplasers zusätzlich die Wellenlängen 555 nm, 579 nm und 606 nm. Anschließend separiert ein abstimmbares optisches Filter die vier Wellenlängen und legt jeweils eine Wellenlänge mit einer Umschaltfrequenz von bis zu 2 kHz auf den optischen Ausgang der Einheit. Damit ist Tetra etwa zehnmal schneller als bisherige abstimmbare Laser auf Basis von OPOs (Optical Parametric Oscillators) – typische Frequenzen solcher OPO-Systeme liegen im Bereich von 100 Hz bis 200 Hz – und zudem erheblich kostengünstiger.

Der Tetra-Laser ist aus zwei separaten Einheiten aufgebaut: Ein Gehäuse beinhaltet die Elektronik für die gesamte Stromversorgung sowie die Pump-Laserdiode. Über eine optische Faser ist der Ausgang dieser Laserdiode an das zweite Gehäuse angekoppelt, welches den eigentlichen Laserkopf enthält. Durch diesen Aufbau fällt die Verlustwärme der Elektronik und der Pumpdiode nur in der Stromversorgungseinheit an, und die thermische Last im Laserkopf reduziert sich deutlich. Zudem lässt sich auf diese Weise die Pump-Laserdiode am Ende ihrer Lebensdauer problemlos austauschen, ohne die Ausrichtung der Geometrie im Laserkopf zu beeinträchtigen.

Ideal für die fotoakustische Tomografie in der Biomedizin

Die von Tetra abgestrahlten Wellenlängen sind sehr gut auf die Absorptionskurven vieler Blutbestandteile abgestimmt; dadurch eignet sich der Laser besonders für die fotoakustische Tomografie in der Biomedizin. Dabei regen Laserpulse organische Strukturen zur Aussendung von Ultraschallwellen an, welche mit geeigneten Sensoren aufgefangen und in Bildinformationen umgewandelt werden. Besonders kurze Laserpulse, wie Tetra sie abgeben kann, erzeugen Ultraschallsignale höherer Frequenz, welche wiederum zu einer besseren räumlichen Auflösung der resultierenden Bilder führen. Als Weiterentwicklung dieses Verfahrens arbeitet die multispektrale fotoakustische Tomografie mit unterschiedlichen Laserwellenlängen, um verschiedene Biomaterialien detektieren und voneinander unterscheiden zu können.

Hier bietet die Möglichkeit, schnell zwischen verschiedenen Wellenlängen umzuschalten, klare Vorteile: Während eines Scans von biologischem Gewebe lässt sich an jedem einzelnen Bildpunkt bei vergleichbarer Frame-Rate statt einer Wellenlänge nun die Absorption von vier unterschiedlichen Wellenlängen quasi simultan messen. So lassen sich Artefakte vermeiden, die bei mehrfachen sequenziellen Komplett-Scans mit jeweils einer Wellenlänge auftreten können.

Für den Einsatz auch im klinischen Umfeld hat AMS den Laser mit einer Reihe von Merkmalen ausgestattet, um den Anforderungen medizinischer Sicherheitsnormen zu genügen. So unterbricht im Fehlerfall ein schneller, fehlertoleranter Verschluss am Laserausgang den Strahl in kürzester Zeit, um Gefährdungen eines Patienten zu vermeiden. Mit diesen und weiteren solcher auf die Anwendung im Medizinbereich zielenden Features befindet sich Tetra nun auf dem Weg der medizinischen Zulassung.

Kundenspezifische Varianten für viele weitere Anwendungen

Zwar wurde Tetra gezielt für die Anforderungen der multispektralen fotoakustischen Bildgebung entwickelt, doch die Technologie lässt sich auch für viele andere Anwendungen einsetzen. Auf Basis von Tetra kann AMS Technologies auf Anfrage weitere, kundenspezifische Ausführungen entwickeln, die andere Wellenlängen bieten oder nochmals deutlich höhere Wiederholfrequenzen bei allerdings ebenfalls deutlich niedrigerer Pulsenergie – damit lässt sich ein noch breiteres Spektrum von Anforderungen abdecken.