Anwendungen

Die zur Verfügung stehenden neuartigen Konzepte zur Laserpulsformung haben zukunftsweisendes Potenzial für die Beeinflussung fundamentaler Prozesse in biologisch relevanten Systemen und dabei insbesondere hinsichtlich medizinischer Anwendungen. Die dort vorkommenden, optisch induzierbaren molekularen Prozesse können mit diesen Methoden gewollt beeinflusst werden, um entsprechende kontrollierte Wirkungen zu erzielen oder grundsätzliche Informationen über die Systeme selbst zu erhalten. So wäre es auf diese Weise zukünftig möglich, lasermedizinische therapeutische Verfahren wie zum Beispiel die selektive Zerstörung von Tumorzellen zu entwickeln.

Als wichtige Anwendungen in diesem Fachgebiet sind Experimente an biologisch relevanten Proben durchführbar (z.B. Vitamine, Aminosäuren, Melanin, DNA-Bausteine, Peptide). Bei diesen Anwendungsbeispielen werden fundamentale optisch induzierte Prozesse optimal gesteuert. Diese Experimente finden hauptsächlich in der flüssigen Phase statt, wodurch in vitro oder in vivo Untersuchungen z. B. mittels hochauflösender mikroskopischer Verfahren realisierbar sind. Kurzpulslasersysteme mit entsprechenden Pulsformungsoptiken können verwendet werden, um diese Untersuchungen auszuführen.

Polarisation-Pulsformung nach Fasern zur mutiphotonischen Anregung

Die Leitung kurzer geformter Laserpulse durch optische Fasern  ist motiviert durch neuartige Anwendungsmöglichkeiten (z.B. Datenübertragung, Endoskopie und Materialbearbeitung). Dazu wird die Transmission polarisationsgeformter Laserpulse durch optische Fasern eingesetzt (siehe Abb. 1). Dies ist insbesondere von großem medizinischem Interesse, denn es erlaubt die gezielte Zuleitung von beliebig geformten Laserpulsen durch optische Fasern an endoskopisch erreichbare Regionen und deren Detektion durch Rückreflektion.

Abb. 1: Experimenteller Aufbau zur Transmission von in Phase, Amplitude und Polarisation geformten Laserpulsen durch optische Fasern. Ein Detektionsverfahren in Reflektion ist zudem beinhaltet.

Methoden zur verbesserten Pulsformung sowie zur Extraktion der relevantesten Informationen wurden entwickelt. Entscheidende Bestrebungen dazu wurden bei der simultanen Formung von Phase, Amplitude und Polarisation unternommen und können hinsichtlich verbreiterter Spektralbereiche (IR, UV), sowie entsprechend kürzerer Laserpulse weiterentwickelt werden. Dazu können Experimente mit intensiven Laserpulsen unternommen werden, um ein Superkontinuum-Spektrum (400nm - 900nm) zu modulieren, welches durch Selbstfokussierung und Selbstphasenmodulation erzeugt wird. Damit wird eine größere Vielfalt in der optimalen Beeinflussung von medizinisch relevanten Prozessen eröffnet. Dieses kann eingehend an verschiedenartigen Systemen untersucht werden.

Die Maßgabe der Arbeiten besteht darin, Pulsformungsmethoden zur Kohärenten Kontrolle multiphotonischer Prozesse nach Übertragung polarisationsgeformter Laserpulse durch optische Fasern einzusetzen. Eine Ausweitung der Pulsformungsmöglichkeiten auf innovative optische Materialien (neuartige photonische Kristallfasern, Kagome-Fasern, Nanooptiken, SNOM, usw…) würde sich zudem anbieten. Untersuchungen an Kagome-Fasern haben gezeigt, dass polarisationsgeformte Laserpulse zu Anisotropie-Untersuchungen erfolgreich eingesetzt werden können. Diese Studien können bei Kagome-Fasern vorteilhaft auch für intensivere Laserpulse und erweiterte Spektralbereiche durchgeführt werden. Auch die nichtlineare Spektroskopie und reaktive Steuerung von in den Hohlkern dieser mikrostrukturierten Fasern eingebrachten Substanzen können erforscht werden, welches neue Anwendungen im Bereich der Sensorik bieten würde.

Die geformten Laserpulse ermöglichen die selektive multiphotonisch induzierte Fluoreszenz von Farbstoffmischungen. Spezielle antisymmetrische Phasenfunktionen werden für Scans der mehrphotonischen Anregung verwendet. Dabei können die bisher zweiphotonischen Untersuchungen auf dreiphotonische selektive Anregungen von UV-Farbstoffen zur Kontrastverbesserung ausgeweitet werden.

Mit Polarisationspulsformung werden zudem zweiphotonische Übergänge selektiv auch in unterschiedlichen Polarisationsrichtungen angeregt (siehe Abb. 2). Damit wird das aktuelle Forschungsgebiet der Anisotropie-Spektroskopie zugänglich, welches Informationen über die Mobilität, Größe und Struktur molekularer Aggregate auch in vivo zulässt. Diese Methoden erlauben verbesserte Bildgebungsverfahren und molekulare Prozesssteuerung mit spezifisch geformten Kurzpulsen.

Abb. 2: Kontrastverbesserung durch einen polarisationsgeformten Laserpuls. In der einen Polarisationsrichtung wird der eine Farbstoff optimal zweiphotonisch angeregt und in der anderen Polarisationsrichtung simultan der andere Farbstoff.

Simultane räumliche und zeitliche Laserpulsformung 

 Eine interessante Erweiterung der Pulsformungsmöglichkeiten besteht in der simultanen zeitlichen und räumlichen Laserpulsformung (siehe Abb. 3). Diese Methode erlaubt neuartige mikroskopische Anwendungen in der Zweiphotonenmikroskopie, der nichtlinearen hochauflösenden Mikroskopie (z.B. STED), in der Beeinflussung von molekularen Prozessen und in der Oberflächenstrukturierung (z. B. durch Polymerisierung). Bei simultaner Transmission durch ein Faserbündel kann die räumliche Form vorteilhaft übertragen werden. Kooperationen mit wissenschaftlichen Arbeitsgruppen sind sehr willkommen. Die simultane räumliche und zeitliche Pulsformung soll zur gezielten Lichtwechselwirkung eingesetzt werden.

Die Kombination von zeitlicher und räumlicher Laserpulsformung führt zu neuen Möglichkeiten in der aktivierten hochauflösenden Mikroskopie durch Photoanregung und stimulierte Abregung. Die Formung der An- und Abregungspulse erlaubt eine Effizienzsteigerung der Fluoreszenz und die umgebungsspezifisch unterschiedliche Fluoreszenzdynamik kann für eine bestimmte Auswahl von Molekülen ausgenutzt werden. Somit können molekulare Abläufe über zeitliche Änderungen optimal verfolgt werden. Dies erhöht den Informationsgehalt der spektroskopischen Methode und erlaubt somit verbesserte bildgebende mikroskopische Applikationen, insbesondere nach Transmission durch Faserbündel. Insbesondere die Verbesserung der STED-Mikroskopie soll damit an Testmolekülen evaluiert werden. Dabei wird auch die Polarisation der Laserpulse eingesetzt, um z.B. die Moleküle mit geformten Laserpulsen einer Polarisationsrichtung anzuregen und mithilfe einer anderen Polarisationskomponente gezielt abzuregen. Dies erlaubt flexible Erweiterungen der STED-Methode verglichen mit der herkömmlichen Technik.

In einer anderen Anwendung können die modulierten Laserpulse dazu eingesetzt werden, chemische Reaktionen unter dem Beugungslimit (z.B. in Zellen) zu aktivieren, wodurch molekulare Prozesse gezielt auf Nanometerskala durchgeführt werden können. Dies kann für biologisch relevante Systeme in vitro erfolgen. Zudem kann die selektive Zerstörung von Molekülen mit entsprechend geformten Laserpulsen stattfinden. Es können so insbesondere gezielte Zellzerstörung z.B. von Tumorzellen geauslöst werden, welches zu verbesserten medizinischen Verfahren führt.

Abb. 3: Pulsformerufbau   zur simultanen räumlichen und zeitlichen Laserpulsformung. Im oberen Teil der Abbildung ist der zeitliche Pulsformer dargestellt  und im unteren Teil der nachgeschaltete räumliche Pulsformer. Im anschließenden Laserfokus auf einer Probe (am unteren Rand der Abbildung) erhält man somit eine räumliche Pulsformung auf der Nanometerskala und simultan eine zeitliche Pulsformung im Femtosekundenbereich.