Kierownik projektu: dr inż. Jakub Bogusławski

Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki

Konkurs: SONATA 17

Nr projektu: 2021/43/D/ST7/01126

Budżet: 1 165 954,00 PLN

Okres realizacji: 29.09.2022-28.09.2025

Zespół projektowy:

• mgr inż. Katarzyno Kunio
• mgr inż. Maciej Barna
• dr inż. Jakub Bogusławski

Byli członkowie zespołu:

• mgr inż. Paulina Frycie
• inż. Kacper Bednarek

Publikacje:

• Katarzyna Kunio, Jakub Bogusławski, Grzegorz Soboń, "Efficient multiphoton microscopy with picosecond laser pulses," Optics Letters 49, 4597-4600 (2024) DOI: 10.1364/OL.533227
• Katarzyna Kunio, Grzegorz Soboń, Jakub Bogusławski, "Multiphoton microscopy at a microwatt level via gain-managed nonlinear amplification and pulse-picking," Optica Open, preprint ID: 120694

Opis projektu:

Celem projektu jest rozwiązanie problemu, który występuje w obrazowaniu okulistycznym, a dokładnie w dwufotonowym obrazowaniu fluorescencyjnym dna oka ludzkiego. Jest to nowa metoda, która umożliwia obrazowanie rozkładu i koncentracji fluoroforów zlokalizowanych w siatkówce i warstwie nabłonka barwnikowego, co niesie istotną informację diagnostyczną o chorobach widzenia i może być wykorzystane podczas monitorowania terapii. Dwufotonowe wzbudzanie fluorescencji jest nowatorskim podejściem, które ma wiele zalet, np. możliwość wzbudzenia fluoroforów, których nie można wzbudzić jednofotonowo (absorbujących w zakresie UV), większy komfort pacjenta, czy szerszy zakres widmowy detekcji. Z drugiej strony, wymaga użycia ultrakrótkich impulsów laserowych w bliskiej podczerwieni, co nakłada bardzo restrykcyjne ograniczenia dla mocy użytej wiązki laserowej. Problem polega na małej sprawności wzbudzania fluorescencji, trudności w dopasowaniu długości fali wzbudzającej do fluoroforów oraz dużej zmienności badanych obiektów.

Chcemy odpowiedzieć na pytanie, na ile możliwe jest kontrolowanie właściwości światła tak, aby wzmocnić sygnał fluorescencji przy wzbudzeniu dwufotonowym w precyzyjnie wybranym miejscu, dostosowując w trakcie pomiaru parametry impulsu indywidualnie do badanego obiektu. Systemy biologiczne charakteryzują się dużą różnorodnością fluoroforów (różniących się widmem absorpcji) oraz dyspersją, która powoduje rozciąganie impulsu w czasie, redukcję mocy szczytowej, a w konsekwencji redukcję kontrastu. Optymalizacja intensywności fluorescencji możliwa jest poprzez odpowiednie dobranie widma impulsu wzbudzającego do badanego fluoroforu (a także transmisji przez tkanki poprzedzające) oraz dobranie właściwości czasowych impulsu w taki sposób, by możliwie krótki impuls dotarł do badanego miejsca w tkance. Podejście, które proponujemy to modulowanie spektralnych i czasowych parametrów impulsów wzbudzających, odpowiednio sterowane przez algorytm optymalizujący poszukiwany sygnał, czyli wzbudzoną fluorescencję. W tym celu planujemy opracowanie nowatorskiego programowalnego źródła ultrakrótkich impulsów światła (o czasie trwania rzędu femtosekund, tj. 10-15 sekundy), które w sposób adaptacyjny mogłoby dostroić swoje parametry pod kątem maksymalizacji sygnału wzbudzanej fluorescencji. Mając na uwadze przyszłe zastosowania, źródło laserowe planujemy opracować z wykorzystaniem technologii światłowodowej oraz z wykorzystaniem optyki nieliniowej. Proponujemy generację impulsów z wykorzystaniem femtosekundowego oscylatora światłowodowego, a następnie poszerzenie na wymagany zakres spektralny (650 – 950 nm) poprzez generację promieniowania supercontinuum w światłowodach nieliniowych. Następnie, z wykorzystaniem elektronicznie sterowanego przestrzennego modulatora światła zostanie opracowany układ modulujący fazę spektralną, sprzężony z algorytmem optymalizacyjnym.