Swept-Source Laserquellen am OptoLab der BFH

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In der Medizin ist Optische Kohärenztomografie (Optical Coherence Tomography OCT) ein bewährtes Verfahren für Untersuchungen in der Augenmedizin, bei Erkrankungen der Haut und zur frühen Tumordiagnose. Neuland erschliessen Forscher am OptoLab der BFH-TI mit Swept-Source-OCT, wesentlich schnelleren und potenziell kostengünstigeren Lasersystemen, für die sie Miniaturlösungen entwickeln.

Seit Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) anfangs der 90er Jahre die Optische Kohärenztomografie (Optical Coherence Tomography OCT) aus der Wiege hoben, hat sich dieses Diagnosewerkzeug in der Medizin etabliert. OCT dient dazu, Licht streuende Proben in ihrem Innern zu vermessen. Gerade biologische Proben, die das Licht stark streuen, eignen sich ideal für eine Untersuchung mit OCT. «Damit lassen sich von lebendem Gewebe nicht-invasiv 3D-Bilder erstellen mit einer Auflösung von nur wenigen Mikrometer», so Professor Christoph Meier, Leiter des OptoLabs. Das OptoLab ist eine gemeinsame Forschungsgruppe der Institute Applied Laser, Photonics and Surface Technologies ALPS und Human Centered Engineering HuCE. «Im Gegensatz zur ionisierenden Strahlung der Röntgen-Tomografie, kommt bei OCT nur geringe Lichtintensität zum Einsatz, welche biologische Proben in keiner Weise beeinträchtigen.»

OCT-Messung der Iris und der Linse eines Schweineauges am OptoLab, prozessiert mit einem Specklereduction- Algorithmus (cpvrLab). Foto: OptoLab

Brutstätte für neue Laseranwendungen
Das OptoLab ist spezialisiert auf OCT und entwickelt innovative Pionierleistungen auf diesem Gebiet. Eine davon sind so genannte Swept Source Laser (SSOCT), welche die Ingenieure des OptoLab und des MicroLab in einem Forschungsprojekt mit der Firma EXALOS AG in Schlieren in ein OCT-System integrieren. Diese schnell durchstimmbaren Halbleiterlaser, deren Wellenlänge sich mit Hilfe mikromechanischer Elemente gezielt und rasch verändern lässt, zeigen ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis und sind punkto Schnelligkeit vergleichbaren OCT-Systemen eine Nasenlänge voraus. Swept Source OCT Systeme bestehen aus der durchstimmbaren Lichtquelle, einem Interferometer, dem Differenzverstärker und einer bildge-benden Software. «Die augenblickliche Kohärenzlänge bestimmt den Messbereich, in welchem die Swept Source für interferometrische Messmethoden – wie OCT – benutzt werden kann», erklärt Tim von Niederhäusern. Er untersuchte in seiner Masterarbeit Swept Source Laser. Dabei entwickelte er ein neuartiges Messverfahren, um die Laser bei voller Betriebsfrequenz zu charakterisieren. Für ihre Innovationen nutzen die Forscher am OptoLab das breite Spektrum von Kompetenzen am Institut für Human Centered Engineering HuCE, besonders hinsichtlich Hardware-Algorithmik, Mikroelektronik, Signalverarbeitung und Regelungstechnik. Anwendungen für Swept Source Laser zeigen sich vor allem in der Augenheilkunde, beispielsweise für die Lasik- Technik – siehe Artikel S. 23. Aber auch ausserhalb der Medizin hat man die Nützlichkeit von Swept Source Laser entdeckt, beispielsweise in der Werkstoffprüfung, wo damit wesentlich höhere Auflösungen als mit Ultraschall erzielt werden. «Im Einsatz stehen sie auch für die Dehnungsmessung zur Überwachung von Gebäuden und Brücken, und – gerade in den letzten Jahren – vermehrt für Offshore-Windmühlen, ein ökonomisch äusserst interessanter Markt», urteilt Professor Christoph Meier.

Hightech mit Zukunftspotenzial
Der Dozent sieht Potenzial, das Messsystem weiter zu verbessern, speziell was die Datenakquisition und die Nachbearbeitung betrifft, um noch eine höhere Geschwindigkeit und einen breiteren Messbereich zu erzielen. Auf reges Interesse stiessen die Forschungsresultate des Bieler OptoLab jedoch schon an der SPIE Photonics West 2011 in San Francisco, der weltweit wichtigsten Konferenz auf dem Gebiet der Photonik, Biophotonik und der Laserindustrie. Während Tim von Niederhäusern seine Masterarbeit in der Kohärenzlängenmessung von Swept Source Lasern erläuterte, stellte BFH-Studienkollege Patrick Steiner seine Masterarbeit in spektroskopischer optischer Kohärenztomographie vor. Beide Themen fanden Eingang in die SPIE Proceedings 2011 (SPIE = Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers), ein absolutes Novum für Masterarbeiten, und dazu noch von einer Schweizer Fachhochschule! Dreidimensionalen, nicht invasiven Bildgebungsverfahren kommt rund um den Globus wachsende Bedeutung zu. «Gefordert ist ein monochromatischer Laser, ein grosser durchstimmbarer Spektralbereich sowie eine hohe Sweep- Frequenz. Zudem muss der Laser sehr gut fokussierbar sein – oder anders gesagt – er muss sich in eine Single Mode-Faser einkoppeln lassen», resümiert Christoph Meier. Wer die Brutstätte des Bieler OptoLab verlässt, braucht nicht um einen Job zu bangen, denn die Unternehmen haben einen regen Bedarf an den gut ausgebildeten Ingenieurinnen und Ingenieuren in optischen Technologien. So auch Industriepartner EXALOS, wo Tim von Niederhäusern mittlerweile im Forschungs- und Entwicklungsteam seine Ideen einbringt. Im Januar 2012 lancierte die Firma ihre neuen Hochleistungs-Swept Source Laserquellen für faseroptische Messelemente und optische 3D-Bildgebung. Die Kooperation mit dem OptoLab geht weiter.

 

Das OptoLab an der BFH-TI
Kernkompetenz des Bieler OptoLab ist die optische Messtechnik, speziell
die optische Kohärenztomographie (Optical Coherence Tomography OCT)
sowie opto-elektronisches und opto-mechanisches Design. Dazu verfügt
das Team über die nötige Infrastruktur, um rasch Machbarkeitsstudien oder
Testmessungen in optischer Sensorik durchzuführen. Im Jahr 2005
gründeten Ingenieure des OptoLab und der Universität Neuchâtel
gemeinsam die Spin-off-Firma Arcoptix, welche verschiedene optische
Mess- und Analyse-Systeme anbietet.