Fourier Domain Mode Locking (FDML): Erforschung des Mechanismus der spektralen Moden-Kopplung in optischen Systemen für die Bildgebung und Spektroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielsetzung des Emmy Noether-Projektes war die Erforschung der Fourier Domain Moden Kopplung (FDML) in Lasern im Hinblick auf ein physikalisches Verständnis und auf neue Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung und Sensorik. Fourier Domain Mode Locking (dt. Fourier Domänen Modenkopplung) ist ein neuartiger Betriebsmodus in Lasern, bei dem eine Sequenz sehr reiner, optischer Frequenzdurchläufe (engl. sweeps) erzeugt wird. Dazu wird das Licht in einer Kilometer-langen optischen Glasfaser „zwischengespeichert“. Mit den so erzeugten Lichtwellenformen kann, neben anderen Anwendungen, biologisches Gewebe mit sehr hoher Ortsauflösung nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie (OCT) „durchleuchtet“ werden, wobei FDML Laser eine vielfach höhere Abbildungsgeschwindigkeit erlauben. Im Laufe des Projektes wurden große Fortschritte sowohl beim Verständnis des FDML-Betriebs als auch bei der Anwendung für die OCT gemacht. Wir konnten mit Hilfe der FDML-Laser OCT-Systeme mit Tiefenabtastraten von bis zu 20 Millionen Linien pro Sekunde aufbauen. Dies ist etwa 50-mal schneller als derzeitige Forschungssysteme anderer Gruppen und 200-mal schneller als kommerzielle Systeme mit vergleichbarer Bildqualität. Bei einer Licht-Wellenlänge von 1050nm zum Einsatz in der Augenheilkunde war mit diesen schnellen OCT-Systemen erstmals die in vivo OCT-Abbildung menschlicher Netzhaut über einen Winkel von 70° mit hoher Auflösung möglich. Dieser technologische Fortschritt erlaubt völlig neue Untersuchungsprotokolle, Diagnosemöglichkeiten und Verlaufsstudien. Bei einer Licht-Wellenlänge von 1300nm zum Einsatz in der Kardiologie wurde FDML basiertes OCT für die Bildgebung an Herzkranzgefäßen erprobt. Mit einem völlig neuartigen Katheter eines Kooperationspartners konnten in vitro Messungen durchgeführt werden. Mit 3 Millionen Tiefenabtastungen pro Sekunde, und einer Spiralbewegung der Katheter-Optik mit 192000 Umdrehungen pro Minute kann eine Koronararterie in ihrer gesamten Länge in 0,8 Sekunden aufgenommen werden. Da diese Aufnahmezeit unter der Zeitdauer eines Herzschlages liegt, kann erwartet werden, dass in Zukunft damit die meisten Bildstörungen und Artekfakte derzeitiger intravaskulärer OCT Aufnahmen nicht mehr auftreten. Neben der Anwendung von FDML-Lasern für die OCT wurden auch erhebliche Fortschritte im Bereich der FDML-Laserphysik gemacht. In Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Technischen Universität München wurde die erste theoretische Beschreibung des FDML-Betriebs entwickelt. Weiterhin wurde ein Kurzpuls-Laser aufgebaut, der erstmals hohe Impulsenergie direkt aus einem Halbleiter ermöglicht. Dabei macht man sich zu Nutze, dass im FDML-Laser die Kilometerlange Glasfaser optische Energie als Lichtfeld zwischenspeichert. Solche Laser könnten in Zukunft robuste und effiziente Kurzpulslichtquellen darstellen. Bei den Experimenten wurde darüber hinaus ein besonderer Betriebszustand des FDML-Lasers entdeckt, bei dem Intensitäts- und Phasenrauschen des emittierten Lichtfeldes nahezu verschwinden. Dieser sogenannte „Sweet-Spot“ und welche physikalischen Effekte dazu führen ist derzeit noch nicht verstanden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"A theoretical description of Fourier domain mode locked lasers". Optics Express 17, 24013–24019 (2009)
Christian Jirauschek, Benjamin Biedermann, Robert Huber
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"Dispersion, coherence and noise of Fourier domain mode locked lasers". Optics Express 17, 9947 (2009)
Benjamin R. Biedermann, Wolfgang Wieser, Christoph M. Eigenwillig, Thomas Klein, Robert Huber
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"Wavelength swept amplified spontaneous emission source". Optics Express 17, 18794-18807 (2009)
Christoph M. Eigenwillig, Benjamin R. Biedermann, Wolfgang Wieser, Robert Huber
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"Multi-Megahertz OCT: High quality 3D imaging at 20 million A-scans and 4.5 GVoxels per second". Optics Express, Vol. 18, Issue 14, pp. 14685-14704 (2010)
Wolfgang Wieser, Benjamin R. Biedermann, Thomas Klein, Christoph M. Eigenwillig and Robert Huber
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"Extended coherence length Fourier domain mode locked lasers at 1310 nm". Optics Express, Vol. 19, Issue 21 pp. 20930-20939 (2011)
Desmond C. Adler, Wolfgang Wieser, Francois Trepanier, Joseph M. Schmitt and Robert A. Huber
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"Megahertz OCT for ultrawide-field retinal imaging with a 1050nm Fourier domain modelocked laser". Optics Express, Vol. 19, Issue 4, pp. 3044-3062 (2011)
Thomas Klein, Wolfgang Wieser, Christoph M. Eigenwillig, Benjamin R. Biedermann, and Robert Huber
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"In situ structural and microangiographic assessment of human skin lesions with highspeed OCT". Biomedical Optics Express, Vol. 3, Issue 10, pp. 2636-2646 (2012)
Cedric Blatter, Jessika Weingast, Aneesh Alex, Branislav Grajciar, Wolfgang Wieser, Wolfgang Drexler, Robert Huber, and Rainer A. Leitgeb
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"Intravascular optical coherence tomography imaging at 3200 frames per second". Optics Letters, Vol. 38 Issue 10, pp.1715-1717 (2013)
Tianshi Wang, Wolfgang Wieser, Geert Springeling, Robert Beurskens, Charles T. Lancee, Tom Pfeiffer, Antonius F. W. van der Steen, Robert Huber, and Gijs van Soest
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"Joint aperture detection for speckle reduction and increased collection efficiency in ophthalmic MHz OCT". Biomedical Optics Express, Vol. 4, Issue 4, pp. 619-634 (2013)
Thomas Klein, Raphael André, Wolfgang Wieser, Tom Pfeiffer, and Robert Huber
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"Picosecond pulses from wavelength-swept continuous-wave Fourier domain mode-locked lasers". Nature Communications 4: 1848 (2013)
Christoph M. Eigenwillig, Wolfgang Wieser, Sebastian Todor, Benjamin R. Biedermann, Thomas Klein, Christian Jirauschek, Robert Huber
