Charlas EEOF

Aplicaciones biomédicas. Óptica de Medios Turbios y sus Aplicaciones en Medicina.

Clase/demo aplicaciones biomédicas: Detección de inclusiones absorbentes ocultas en un medio turbio.

La peculiaridad de los tejidos blandos de permitir a la luz de longitud de onda dentro de una ventana entre los 600 a 1000 nanómetros, conocida como ventana óptica o terapéutica, a penetrarlos algunos centímetros, hace a esta radiación en el infrarrojo cercano una herramienta no invasiva con potencial uso en estudios médicos, pudiéndose aplicar por ejemplo en mamografía. La ventaja principal respecto al estudio gold standard (mamografía RX tradicional) es la utilización de radiación no ionizante. Sin embargo, estos tejidos no permiten la propagación de luz en el rango espectral NIR en forma rectilínea, sino que se presentan como difusivos, deteriorándose así la resolución espacial de las imágenes que pueden obtenerse de ellos. Se presentarán las ecuaciones que describen la propagación de luz NIR en medios biológicos, y las diferentes técnicas empleadas. Durante el desarrollo de esta clase se desea determinar la presencia, y en caso afirmativo, su ubicación en el plano, de una inclusión absorbente oculta en un volumen difusivo cuyo coeficiente de absorción es menor que el de la mencionada inclusión. El experimento pretende recrear en forma simplificada el caso de un tumor (la inclusión) embebido en un volumen de tejido sano. Al conjunto “medio difusivo + inclusión” lo denominaremos “fantoma”. El volumen difusivo se obtendrá por medio de una mezcla de agua (portador), leche (agente difusivo) y tinta (agente absorbente), emulando las propiedades ópticas de un tejido biológico sano. El tumor, por su parte será representado por un pequeño cilindro o esfera con propiedades ópticas similares a las del entorno, pero con la absorción aumentada en un factor entre 2 y 4. La medición de estas propiedades ópticas ha de realizarse utilizando la técnica experimental de pulsos cortos, explicada en la teoría. El medio será iluminado con un láser emitiendo en onda continua en el NIR y se toman múltiples imágenes de la radiación emergente del medio utilizando una cámara de CCD. En cada una de ellas se varía la posición de la inclusión relativa al eje óptico. El adecuado procesamiento de estas imágenes, implementando una normalización, permite hacer visible la presencia de la inclusión, situación indetectable en cada una de las imágenes por separado.

Aplicaciones biofísicas I. Técnicas de microscopía de superresolución.

La microscopía de fluorescencia es una herramienta esencial en el estudio de sistemas biológicos y biomédicos ya que permite la visualización de estructuras subcelulares con una gran especificidad. Una de sus mayores desventajas es que la resolución espacial está limitada por difracción (típicamente la resolución lateral es de ~ 250 nm y la axial de varios µm).  Diferentes técnicas se han desarrollado para superar este inconveniente. En esta charla voy a hablar de distintas técnicas de microscopía de fluorescencia que permiten aumentar el confinamiento axial (TIRF “total internal reflection microscopy” o SAF “supercritical angle fluorescence”) o la resolución lateral (como el SIM “structured illumination microscopy”, STED “stimulated emission depletion” o PALM “photo-activated localization microscopy”).

Fotodetección
Haremos una breve descripción sobre los fundamentos de detección óptica y nos centraremos en el desarrollo de sistemas optoelectrónicos basados en fotodetectores PIN y amplificadores de transimpedancia (TIA). Se discutirán los problemas de diseño más comunes, las figuras de mérito a tener en cuenta y se brindarán "tips" de diseño para su implementación.

Sistemas optoelectrónicos utilizando plataformas de Software Defined Radio (SDR)
Muchos sistemas de medición optoelectrónicos requieren un estímulo (señal de excitación) y procesar una respuesta (señal recibida), y en cierto sentido, el método de caracterización estímulo-respuesta está relacionado con el problema de las comunicaciones. En este último campo,  el paradigma de diseño basado en SDR ofrece numerosas ventajas. Entre ellas, la posibilidad de reconfigurar vía software en tiempo real los parámetros asociados al enlace (modulación, demodulación, codificación, etc.).

Utilizando convenientemente interfaces óptico/eléctrica y electroópticas es posible vincular los sistemas de medición basados en la caracterización estímulo-respuesta y el concepto de diseño basado en SDR. Mostraremos un ejemplo de este concepto en un experimento de interferometría heterodina. En este caso, realizaremos una descripción sobre las plataformas SDR utilizadas y se discutirán tanto los aspectos experimentales (interferencia e interferometría) como los aspectos relacionados con el procesamiento digital de las señales involucradas, utilizando herramientas de software libre como GNU-Radio.

Aplicaciones de pulsos ultracortos

El curso inicia con una introducción a los láseres, revisión de disponibilidad en el país (en particular en el SINALA). Continúa con charlas cortas de estudiantes que usan pulsos cortos en su trabajo  La en las que se vea que para cada experimento pueden interesar propiedades distintas de los pulsos: duración, potencia pico, ancho de banda, etc, y que cada experimento puede ser sensible a problemas distintos: pulso ensanchado, pulsos satélites, etc. Finamente, se discutirán las fuentes de distorsión que pueden aparecer en un experimento y cómo compensarlas y/o medirlas, utilizando de ejemplos los casos presentados.

Charlas TOPFOT

Aplicaciones óptica no lineal I. Óptica No Lineal: generalidades y algunas aplicaciones.

A comienzos de la década de 1960, casi inmediatamente después de la invención de fuentes muy intensas de luz (i.e., el láser) floreció la llamada "Óptica No Lineal" (ONL) al ser descubiertos un gran número de fenómenos que no pueden ser explicados en el contexto de una óptica que verifica el principio de superposición. Del estudio y perfeccionamiento de técnicas para producir eficientemente dichos procesos, en las últimas décadas surgió un gran número de aplicaciones tecnológicas y el área continua siendo un campo de muy intenso y fructífero desarrollo científico-tecnológico.

En esta charla se abordarán modestamente generalidades de la ONL, con el objetivo de que el público vislumbre algunos procesos que esta permite (e.g., generación de 2^da y 3^er armónica, amplificación paramétrica, efecto Kerr óptico, etc.). También se abordarán algunos aspectos de la ONL en fibras ópticas, se discutirá sobre inestabilidad modulacional, solitones y generación de supercontinuo.

Aplicaciones óptica no lineal II. Espectroscopía ultrarrápida y acústica de picosegundos.

La técnica de “bombeo-sondeo”, más conocida como de pump-probe, utiliza láseres de pulsos cortos (femto o picosegundos) para sensar y analizar cómo son modificadas las constantes ópticas de un material luego de ser excitado impulsivamente. Esta técnica, que permite tener acceso a la dinámica de las excitaciones directamente en dominio temporal, aplicada al estudio de la generación y detección coherente de fonones, ha desarrollado en este último tiempo un particular interés y ha sido utilizada extensivamente en el estudio de diversos sistemas nanoestructurados. Es particularmente útil para el estudio de excitaciones elementales de materiales cuyas frecuencias se encuentran entre los GHz y THz, y cuyos vectores de onda están asociados a distancias espaciales que se encuentran en la nanoescala.

En esta charla se presentarán dos tipos de métodos de pump-probe: el más convencional de detección sincrónica y otro denominado ASOPS (asynchronous optical sampling). Se hará una descripción de los fundamentos de la técnica, de cada uno de los métodos y se mostrarán ejemplos y resultados en varios sistemas nanoestrucutrados.

Aplicaciones biofísicas II (2 charlas)

Charla 1. Absorción de dos fotones: un efecto no lineal al servicio de las microscopias ópticas.

La absorción de dos fotones es un proceso no lineal en el cual, a partir de la absorción simultánea de dos fotones, es posible generar una transición electrónica equivalente a la generada por la absorción de un único fotón del doble de energía. Dado que la sección eficaz de absorción de dos fotones es órdenes de magnitud menor que en el caso de absorción de un fotón único, para aumentar la probabilidad de ocurrencia de este fenómeno es necesario aumentar dramáticamente la densidad de fotones disponibles tanto espacia como temporalmente. Utilizando láseres de pulsos ultracortos fuertemente enfocados, es posible generar regiones en el espacio con densidades y flujos de fotones suficientemente altos de manera de permitir la absorción multifotónica.

La microscopía por absorción de dos fotones está basada en este efecto. Fue predicha teóricamente en la década del 30 por María Goeppert-Mayer e implementada experimentalmente 60 años más tarde. Dado que el proceso de absorción de dos fotones está limitado únicamente a la región del espacio que cuenta con la densidad necesaria de fotones disponibles, esta microscopía tiene una resolución espacial dada por la muy reducida región del espacio donde el proceso de absorción de dos fotones es probable.

En esta charla se mostrarán algunos ejemplos de cómo utilizar el confinamiento espacial de microscopías ópticas de barrido para obtener información cuantitativa de la dinámica intracelular, con especial énfasis en aplicaciones biofísicas.

Charla 2. Desarrollo de un microscopio de superresolución para el estudio de procesos dinámicos en la membrana celular.

La microscopía a iluminación estructurada (SIM) es una de las técnicas más usadas en biología para el estudio de la dinámica de procesos intra-celulares. Esta técnica permite aumentar la resolución espacial de un microscopio de fluorescencia en un factor dos, es compatible con todo tipo de marcador fluorescente, es muy poco invasiva y permite la toma de imágenes durante tiempos largos y con campos de visión grandes. En esta charla les voy a presentar la aplicación de esta técnica en el estudio de la dinámica de estructuras sub-celulares y un método para mejorar aún más la resolución espacial sin perder las ventajas esenciales del SIM. El método se basa en el uso de un substrato nano-estructurado que permite triplicar la resolución espacial.

Comunicación cuántica I

Charla 1. Conceptos básicos e implementaciones físicas.

Charla introductoria al léxico y a algunos conceptos básicos del procesamiento cuántico de la información, repasando la idea de bit cuántico o qubit, compuertas cuánticas, estados entrelazados y circuitos cuánticos. Se describirán algunos algoritmos para el procesamiento cuántico de la información y, posteriormente, se detallarán algunas de las implementaciones físicas más conocidas de qubits.  Se presentarán, también, algunos de los posibles grados de libertad para codificar qubits en fotones, cómo funciona un protocolo básico de “Distribución Cuántica de Claves” criptográficas y se hará un repaso de fuentes de luz adaptables al procesamiento cuántico de la información con fotones. 

Charla 2. Fotones individuales a pedido: diferentes técnicas experimentales.

En esta charla se contará acerca de la generación de fotones únicos: qué requisitos deben cumplir, cómo pueden caracterizarse y por qué se quieren desarrollar. Se comentará sobre los distintos tipos de implementaciones experimentales de estas fuentes que se estudian hoy en día, haciendo especial énfasis en dos de ellas: Quantum Dots (QDs) y “Conversión Paramétrica Descendente” (SPDC) con sistemas de multiplexado espacial y temporal. Se describirán sus principios de funcionamiento y el estado del arte de esas dos tecnologías. Finalmente, se mostrará la implementación de SPDC con multiplexado que está siendo desarrollado en el Laboratorio de Óptica Cuántica en CITEDEF.

Comunicación cuántica II. Tecnologías cuánticas. Aplicaciones prácticas del procesamiento cuántico de la información

Esta charla estará dedicada a mostrar algunas características técnicas y detalles de una implementación de un protocolo de Distribución Cuántica de Claves. El sistema está en desarrollo en el Laboratorio de Óptica Cuántica en CITEDEF y se basa en una codificación en estados de ventana temporal, eficiente para canales de fibra óptica.

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