op het gebied van optica, wanneer een verzameling niet-lineaire processen samenwerkt op een pompstraal, de resulterende spectrale verbreding van de oorspronkelijke pompbundel geeft aanleiding tot een supercontinuüm. Supercontinuümbronnen voor optische coherentietomografie zijn van groot belang omdat ze een brede bandbreedte bieden voor een hoge resolutie en een hoge beeldgevoeligheid. Voor commerciële op vezels gebaseerde supercontinuümsystemen, onderzoekers gebruiken hoge pompkrachten om een ​​brede bandbreedte te genereren en aangepaste optische filters om de spectra te moduleren. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Xingchen Ji en een onderzoeksteam in elektrotechniek, biomedische technologie en toegepaste natuurkunde aan de Columbia University, New York, ONS., introduceerde een supercontinuümplatform op basis van een 1 mm ² siliciumnitride fotonische chip voor optische coherentietomografie (OCT). De onderzoekers pompten en produceerden efficiënt een supercontinuüm in de buurt van 1300 nm en gebruikten de opstelling om biologische weefsels in beeld te brengen en de sterke beeldprestaties van het apparaat te laten zien. De nieuwe chip zal draagbare LGO's en geïntegreerde fotonica mogelijk maken tijdens optische beeldvormingsstudies.

Medische beeldvormingssystemen

Optische coherentietomografie (OCT) is een labelvrije, driedimensionale optische beeldvormingsmodaliteit met hoge resolutie. Het OCT-beeldvormingsplatform is een zorgstandaard in de geneeskunde, inclusief oogheelkunde, dermatologie, gastro-enterologie en beeldvorming van borstkanker. Terwijl supercontinuümlichtbronnen voor OCT een brede bandbreedte bieden, ze vereisen een zeer hoge stroombron om een ​​brede bandbreedte en sterke prestaties te bereiken in verhouding tot het vereiste gevoeligheidsbereik. Commerciële supercontinuümbronnen zijn ook omvangrijk en hebben een lage efficiëntie van het genereren van supercontinuüm aangetoond. Om deze grenzen te overwinnen, Ji et al. ontwikkelde een supercontinuümlichtbron voor OCT-beeldvorming in een compact siliciumnitride (Si ₃ N ₄ ) fotonische chip. Siliciumnitride heeft een hoge brekingsindex, een hoge niet-lineaire parameter, een breed transparantievenster en compatibiliteit met grootschalige halfgeleiderproductie. Als gevolg van hoge optische opsluiting en intrinsieke niet-lineariteit in siliciumnitride, de golfgeleider vertoonde een niet-lineariteitsparameter die ongeveer 100 keer groter is dan die van zeer niet-lineaire vezels die worden gebruikt in commerciële supercontinuümsystemen. De in het werk ontwikkelde golfgeleiders besloegen een oppervlakte van 1 mm ² . Vanwege de output spectrale kenmerken voor beeldvorming, het team had geen extra optische filtering nodig om het spectrum vorm te geven.

Het onderzoeksteam integreerde de siliciumnitride-chip in een vezelgekoppeld spectraal domein-OCT-systeem gecentreerd op 1300 nm. Ji et al. stuurde het uitgangslicht van de siliciumnitride-chip rechtstreeks naar de OCT-interferometer via een circulator en mat de prestaties van het siliciumnitride-OCT-systeem om een ​​gevoeligheid van 105 dB bij 300 µW vermogen vast te leggen. Ter vergelijking, een commercieel supercontinuüm toonde 95 dB met een vermogen van 4 mW. De gevoeligheid gemeten in de opstelling lag dicht bij de theoretische voorspelling met beperkte opnameruis. Met behulp van het siliciumnitride-chip-OCT-systeem, Ji et al. verschillende microscopische biologische weefsels van gezond menselijk borstweefsel opgelost. Om dit te bereiken, het team ontving weefselmonsters van patiënten die borstamputaties ondergingen in het Columbia University Irving Medical Center. Ze fixeerden het monster in formaline en beeldden ze ex vivo af, 24 uur na chirurgische excisie. De resulterende volumetrische driedimensionale (3D) scan van gezond borstweefsel toonde belangrijke microscopische structurele kenmerken, inclusief melkkanalen, lobules, vet en bindweefsel. De onderzoekers verwerkten de OCT-afbeeldingen uit de onbewerkte gegevens door achtergrondaftrekking en digitale dispersiecompensatie uit te voeren.

Materialen voor het genereren van supercontinuüm

Wetenschappers kunnen supercontinuum-spectra genereren met behulp van geïntegreerde golfgeleiders van verschillende materiaalplatforms. Siliciumnitride heeft het voordeel dat het complementair is, compatibel met metaaloxide-halfgeleiderprocessen, voor grootschalige productie tegen lage kosten. Het materiaal combineerde de voordelen van ultralaag verlies, een hoog indexcontrast tussen de golfgeleider en de bekledingsindex, naast een breed transparantievenster om de golflengtevensters van OCT-beeldvorming voor verschillende toepassingen te dekken. Al deze eigenschappen maakten siliciumnitride een goede kandidaat voor OCT-beeldvormingstoepassingen. Ji et al. toonde ook experimenteel aan hoe het geïntegreerde siliciumnitride-fotonica-apparaat een veelbelovend platform vormde voor OCT-beeldvorming en anticipeerde op de ontwikkeling van geïntegreerde aanvullende fotonische platforms voor biomedische beeldvorming.

Outlook

Op deze manier, Xingchen Ji en collega's ontwikkelden een supercontinuümlichtbron voor optische coherentietomografie (OCT) beeldvorming in een compacte siliciumnitride fotonische chip direct gepompt bij 1300 nm, zonder enige optische filtering om het spectrum vorm te geven. Het platform bereikte een hoge gevoeligheid bij een laag optisch vermogen op het monster. In tegenstelling tot, met een ultramoderne commerciële supercontinuümbron, onderzoekers hebben doorgaans 100 keer meer optisch vermogen nodig om een ​​vergelijkbare gevoeligheid te bereiken. De centrale golflengte van 1300 nm die in dit onderzoek wordt gebruikt, is zeer geschikt voor beeldvormingstoepassingen van weefselmonsters waarvoor diepere penetratiediepten nodig waren, waaronder menselijk borstweefsel, cardiovasculair weefsel en in dermatologisch onderzoek. Het team paste dispersie-engineering aan met geïntegreerde fotonica om andere spectrale bereiken te genereren op een schaal van 1 µm of 800 nm. Ze hebben de miniatuur supercontinuum-lichtbron die in dit werk is ontwikkeld, gefunctionaliseerd met een off-chip femtoseconde pomplaser, terwijl er ook inspanningen worden geleverd om lasers met modusvergrendeling te miniaturiseren. De gecombineerde inspanningen van het miniaturiseren en verpakken van diverse bouwstenen van OCT met behulp van siliciumfotonica, naast de ontwikkeling van beeldsondes, kunnen de realisatie van een hoogwaardige, goedkoop en volledig geminiaturiseerd OCT-systeem.

© 2021 Science X Network