Преимущества использования фемтосекундных лазеров Alcor от Spark Lasers для двухфотонной микроскопии

13 июля 2023 10:55

// Источники излучения

Компания Spark Lasers разрабатывает компактные пикосекундные и фемтосекундные лазеры, предназначенные для микрообработки и биофотоники. Данные лазеры имеют высокую производительность и надежность промышленного уровня.

Методы микроскопии

Традиционная микроскопия используется для просмотра объектов и областей (в основном клеток), которые выходят за пределы диапазона разрешения невооруженного глаза. В состав сложных микроскопов входят объективы и конденсоры, но они также состоят из очень простых однообъективных инструментов, которые часто переносятся вручную, таких как лупа для фотографий или обычное увеличительное стекло.

Оптическая микроскопия и электронная микроскопия используют такие эффекты как дифракция, отражение или преломление электромагнитного излучения / электронных лучей, взаимодействующих с образцом, и сбор рассеянного излучения или другого сигнала для создания изображения. Этот процесс может осуществляться путем облучения образца в широком поле (например, в стандартной световой микроскопии и электронной микроскопии). Эти методы, хотя и полезны, имеют несколько недостатков: они позволяют сканировать только поверхность тканей, предлагая относительно низкое разрешение и контрастность и являясь одномерными.

Конфокальная микроскопия или конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM) - это метод оптической визуализации для увеличения оптического разрешения и контраста изображений за счет использования пространственного точечного отверстия для блокировки расфокусированного света при формировании изображения. Этот метод широко используется в научных и промышленных кругах, а стандартное применение - в науках о живых организмах, контроле полупроводников и материаловедении. Свет проходит через образец под обычным микроскопом настолько глубоко в образец, насколько он может проникнуть, в то время как конфокальный микроскоп фокусирует только меньший луч света на одном узком уровне глубины за раз. CLSM обеспечивает контролируемую и сильно ограниченную глубину резкости. Пара преимуществ этого метода включает в себя возможность генерировать несколько двумерных изображений на разной глубине, а также позволяет реконструировать трехмерные структуры (т.е. оптические сечения) внутри объекта. Тем не менее, это может вызвать эффект фотообесцвечивания образца, на него может отрицательно повлиять фоновый свет, а из-за небольшого поля зрения (FoV) процесс может быть относительно медленным по сравнению с другими методами.

Двухфотонная микроскопия

Микроскопия с двухфотонным возбуждением (TPEF или 2PEF) - это метод флуоресцентной визуализации, позволяющий получать изображения живой ткани толщиной до одного миллиметра. В отличие от традиционной флуоресцентной микроскопии, в которой длина волны возбуждения короче, чем длина волны излучения, микроскопия с двухфотонным возбуждением обычно использует свет возбуждения в ближней инфракрасной области (БИК), который также может возбуждать флуоресцентные красители. Однако при каждом возбуждении поглощаются два фотона БИК-света. Использование инфракрасного света сводит к минимуму рассеяние в тканях. Из-за многофотонного поглощения фоновый сигнал сильно подавляется.

Преимущества:

Оба эффекта приводят к увеличению глубины проникновения в ткани.
Эффективное обнаружение света.
Низкое или нулевое фотообесцвечивание.
Визуализация живых тканей на глубинах, недостижимых с помощью флуоресцентной или конфокальной микроскопии.

Недостатки:

Обычно используются титан-сапфировые лазеры увеличенного размера, с водяным охлаждением, очень дорогие и с высокой стоимостью.
Ti-Sapphire обеспечивает длину волны от 680 до 1300 нм, из которых желательны только 2 длины волны.

Сравнение титан-сапфировых и фемтосекундных лазеров

Титан-сапфировые лазеры:

Огромный, громоздкий, очень дорогой.
Управление пониженной мощностью - DPSS (усилители на кристалле).
Длительность импульса не постоянно <100 фс.
Много ненужных длин волн в диапазоне.
Низкая рентабельность инвестиций - диапазон длин волн по сравнению с используемыми длинами волн.
С водяным охлаждением.
Высокая стоимость владения (CoO).

Фемтосекундные волоконные лазеры:

Компактный, ~ 1/10 объема Ti-Saph., легкий, доступный.
Непревзойденный уровень мощности - 4 Вт на 920 нм.
Опции - AOM, передача по оптоволокну, GDD прекомпенсация большего значения.
Длительность импульса всегда поддерживается <140фс.
Полезные длины волн при 920 и / или 1064 нм до 4 Вт.
С воздушным охлаждением, «plug-and-play».
Быстрая окупаемость инвестиций, не требует обслуживания.

Фемтосекундные лазеры Alcor от Spark Lasers

Оптоволоконная конструкция лазерной системы Alcor от Spark Lasers позволяет получить более компактный, прочный и надежный лазер, чем его аналоги DPSS, при этом с воздушным охлаждением. Благодаря такой упрощенной конструкции лазер Alcor практически не требует обслуживания. Исторически сложилось так, что исследователи использовали лазеры Ti: Sapphire, в которых используется гораздо больше компонентов и движущихся частей, что требует значительно большего обслуживания и, в конечном итоге, приводит к более высокой совокупной стоимости владения. В Alcor единственными расходными материалами являются лазерные диоды, рассчитанные на более чем 20 000 часов.

Серия фемтосекундных лазеров Alcor отличается максимальной выходной мощностью, доступной на сегодняшний день, предлагая версии до 5 Вт на 1064 нм и до 4 Вт на 920 нм. Alcor Dual доступен с мощностью до 2 Вт с выводами 920 и 1064 нм. С импульсом <140 фс при частоте повторения 80 МГц (другие опционально), серия Alcor специально разработана для применений биофотоники, таких как многофотонная микроскопия. Благодаря энергии импульса до 50 нДж и пиковой мощности> 384 кВт, Alcor обеспечивает более высокую яркость и контрастность при двухфотонной визуализации зеленых флуорофоров (GFP) и индикаторов кальция, таких как GCaMP.

Кроме того, ALCOR может быть оснащен модулем XSight (AOM) для точного и быстрого управления мощностью, а также модулем FleX с оптоволоконным выводом. Дополнительными преимуществами является возможность использования излучения второй и четвертой гармоник; обеспечение предварительной компенсации дисперсии групповой задержки (GDD) от 0 фс2 до -30 000 фс2 с управлением от компьютера. Линейка уникальных лазеров ALCOR обновилась новыми моделями - ALCOR HP, ALCOR XSight и ALCOR FLeXSight. Кроме того, появилась возможность приобретения лазеров ALCOR с модулем дополнительных второй и четвертой гармоник Nano4th от FemtoEasy.

Лазеры серии ALCOR:

Лазеры AlLCOR IR-4 представляет собой лазерные системы с увеличенной средней мощностью, вплоть до 4 и 5 Вт на длине волны 1 мкм.
Лазеры ALCOR IR-1 XSight, ALCOR IR-2 XSight и ALCOR IR-4 XSight оснащаются внешним акустооптическим модулятором, позволяющим управлять уровнем энергии в импульсе и средней мощности, а также регулировать частоту повторения.
Лазеры ALCOR IR-1 FLeXSight и ALCOR IR-2 FLeXSight поддерживают возможности лазеров серии XSight при наличии вывода излучения в оптическое волокно.
Nano4th - модуль для лазера ALCOR IR для получения излучения на длинах волн 1064 нм, 532 нм, 266 нм. При этом уровень мощности на длине волны 266 нм может достигать более 170 мВт, а длительность импульса менее 65 фс.

Перечень продукции Spark Lasers включает лазеры:

ALTAIR – серия фемтосекундных лазеров с квазинепрерывным режимом работы, длительностью импульса <160 фс и высокой пиковой мощностью;
ALCOR – серия компактных фемтосекундных лазеров с высокой частотой повторения, длительностью импульса 100 фс;
ANTARES – квазинепрерывный пикосекундный лазер с узкой спектральной шириной линии;
SIRIUS – пикосекундный лазер с высокой энергией, длительностью импульса <10 пс и длинами волн до третьей гармоники;
DIADEM – высокомощный фемтосекундный лазер, предлагающий доступ к различным длинам волн, длительностью импульса <400 фс.