Ultrarövid fényimpulzusok terjedésének vizsgálata fotonikus kristály optikai szálakban és szálerősítőkben = Investigation of propagation of ultrashort laser pulses in photonic crystal fibers and fiber amplifiers

Megmutattuk, hogy lehetséges 6 fs-nál rövidebb kompresszált fényimpulzusok előállítása fotonikus kristály szálakban 1 nJ-nál kisebb impulzusenergiák esetében is. Szimulációs programunk segítségével számításokat végeztünk, hogy milyen impulzusparaméterek (energia, impulzushossz) mellett lehetséges az impulzusok alakhű átvitele nagymagátmérőjű, illetve légmagos fotonikus kristály szerkezetű optikai szálakon. Szimulációs eredményeinket mérésekkel (spektrum, autokorrelációs függvények) ellenőriztük és alkalmaztuk egy új tipusú, valós idejű, 3D kétfoton mikroszkóp kisérleti példányának elkészítésénél. Üreges fotonikus kristály szálakat terveztünk és alkalmaztunk Yb adadékolt szálerősítő csörpölt impulzusainak kompresszálására illetve nemlineáris hatásoktól mentes átvitelére. Módusszinkronizált, erősen csörpölt néhány pikoszekundumos impulzusokat előállító, telítődő abszorbenssel módusszinkronizált Yb szállézert építettünk, amelynek impulzusait rácsos kompresszor segítségével 200 fs-nál rövidebbre kompresszáltuk. Yb adalékolt szál és fotonikus kristály szerkezetű pumpa geometria alkalmazásával szálerősítőt építettünk, aminek segítségével az impulzusok energiáját 80 MHz-es ismétlődési frekvencia mellett az 1-10 nJ tartományba növeltük. | We have shown that it is possible to generate sub-6-fs pulses by compression of low energy (E<1 nJ) pulses in small core area photonic crystal fibers. We have made numerical simulations to investigate that what pulse parameters (energy, peak intensity, spectral widths) allow us to deliver femtosecond laser pulses without spectral and temporal distortion through specific large mode area (LMA) and hollow core (HC) photonic crystal fibers. The validity of our simulations was checked by corresponding measurements (spectrum, autocorrelation traces). The LMA and HC fibers were applied to build a random access 3D nonlinear microscope system. The HC fibers were designed and applied for compression and distortion free delivery of amplified pulses of a picosecond pulse Yb fiber laser/amplifier system. Mode-locked, all-normal-dispersion, all-fiber Yb laser was constructed delivering few ps long, strongly chirped pulses with specral width of ~10 nm at around 1030 nm. The output of the oscillator was compressed down to 200 fs using a grating pair compressor. Using a double clad Yb doped fiber and a photonic crystal pump geometry, the pulse energy was boosted up to the 1-10 nJ regime at a repetition rate of 80MHz

Ultragyors lineáris és nemlineáris optikai folyamatok makromolekulákon = Ultrafast linear and nonlinear optical processes on macromolecules

Mérőrendszerünkhöz új tükörkészletet és diszperzió szabályozó egységet fejlesztettünk ki, széles hullámhossz tartományban lehetővé téve (akár 40 fs-nál rövidebb) stabil fényimpulzusok keltését. Félvezető alapú telítődő abszorbens (SESAM) mintákon meghatároztuk a a fs-ps időtartományba eső tranziens abszorpció időállandóit. A kinetikai adatok kiértékelésére kidolgoztunk egy modellfüggetlen, nemparametrikus dekonvolúciós eljárást. Fotoszinetikus fénybegyűjtő komplexeken jellemeztük a fénykárosodást kivédő hődisszipáció ps-os kinetikáját. A fényenergia hasznosító bakteriorodopszin (bR) fehérjéből készített natív és módosított szárított mintákon megállapítottuk a gerjesztett állapot valamint az ultragyors intermedierek abszorpciókinetikai paramétereit. 10 fs időfelbontású koherens infravörös emissziós kísérletek alapján jellemeztük a bR retinál kromofórjának gerjesztése során létrejövő dipólmomentum változást, és az azt követő koherens vibrációs folyamatokat. Elsőként mutattuk ki és jellemeztük a bR mintából származó terahertzes emisszó jelenségét, megállapítva, hogy az részben a retinál molekula gerjesztett állapotú elektronmozgásából, részben pedig - a feltehetően ez által keltett - kezdeti funkcionális protonmozgásból származik. Kidolgoztunk egy kvantumelektrodinamikai leírást, melynek keretében a retinál gerjesztése során fellépő másodrendű optikai folyamatok egységesen tárgyalhatók. | A new mirror set and a dispersion control unit was developed for our measuring system, making possible to generate stable light pulses (of even shorter than 40 fs) in a wide range of wavelength. The fs-ps transient absorption time-constants of semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) samples were determined. A model-independent nonparametric deconvolution procedure was elaborated for the analysis of the kinetic data. Photosynthetic light-harvesting complexes were characterized by their ps kinetics of heat dissipation process, protecting them from light-induced damages. The absorption kinetic parameters describing the excited state and the ultrafast intermediers in native and modified dried samples of bacteriorhodopsin (bR) protein - utilizing light energy - were determined. By coherent infrared emission experiments the dipole moment change upon the excitation of the retinal chromophore of bR, as well as the subsequent coherent vibration processes were characterized. The phenomenon of terahertz emission from a bR sample was demonstrated and characterized for the first time, showing that it originates both from the excited-state electron motion of the retinal molecule and the functional early proton movement, probably generated by the former process. A theoretical description was derived from quantum electrodynamics for a unified description of the second order optical processes occurring on the excitation of retinal

Nonlinear optical microscopy is a novel tool for the analysis of cutaneous alterations in pseudoxanthoma elasticum

Pseudoxanthoma elasticum (PXE, OMIM 264800) is a rare autosomal recessive disorder with ectopic mineralization and fragmentation of elastin fibers. It is caused by mutations of the ABCC6 gene that leads to decreased serum levels of inorganic pyrophosphate (PPi) anti-mineralization factor. The occurrence of severe complications among PXE patients highlights the importance of early diagnosis so that prompt multidisciplinary care can be provided to patients. We aimed to examine dermal connective tissue with nonlinear optical (NLO) techniques, as collagen emits second-harmonic generation (SHG) signal, while elastin can be excited by two-photon excitation fluorescence (TPF). We performed molecular genetic analysis, ophthalmological and cardiovascular assessment, plasma PPi measurement, conventional histopathological examination, and ex vivo SHG and TPF imaging in five patients with PXE and five age- and gender-matched healthy controls. Pathological mutations including one new variant were found in the ABCC6 gene in all PXE patients and their plasma PPi level was significantly lower compared with controls. Degradation and mineralization of elastin fibers and extensive calcium deposition in the mid-dermis was visualized and quantified together with the alterations of the collagen structure in PXE. Our data suggests that NLO provides high-resolution imaging of the specific histopathological features of PXE-affected skin. In vivo NLO may be a promising tool in the assessment of PXE, promoting early diagnosis and follow-up

A 20 MHz Repetition Rate, Sub-Picosecond Ti–Sapphire Laser for Fiber Delivery in Nonlinear Microscopy of the Skin

Nonlinear microscopy (NM) enables us to investigate the morphology or monitor the physiological processes of the skin through the use of ultrafast lasers. Fiber (or fiber-coupled) lasers are of great interest because they can easily be combined with a handheld, scanning nonlinear microscope. This latter feature greatly increases the utility of NM for pre-clinical applications and in vivo tissue imaging. Here, we present a fiber-coupled, sub-ps Ti–sapphire laser system being optimized for in vivo, stain-free, 3D imaging of skin alterations with a low thermal load of the skin. The laser is pumped by a low-cost, 2.1 W, 532 nm pump laser and delivers 0.5–1 ps, high-peak-power pulses at a ~20 MHz repetition rate. The spectral bandwidth of the laser is below 2 nm, which results in a low sensitivity for dispersion during fiber delivery. The reduction in the peak intensity due to the increased pulse duration is compensated by the lower repetition rate of our laser. In our proof-of-concept imaging experiments, a ~1.8 m long, commercial hollow-core photonic bandgap fiber was used for fiber delivery. Fresh and frozen skin biopsies of different skin alterations (e.g., adult hemangioma, basal cell cancer) and an unaffected control were used for high-quality, two-photon excitation fluorescence microscopy (2PEF) and second-harmonic generation (SHG) z-stack (3D) imaging