Development and Implementation of High Power Diode Lasers Systems for the Generation of Optoacoustic Signals in Biomedical Applications

Las técnicas de imágenes ópticas son ampliamente usadas en medicina para obtener imágenes biomédicas por medio de la interacción entre la luz y los tejidos, permitiendo adquirir informaciones biológicas de cromóforos específicos. Por otro lado, las técnicas de imagen ultrasónicas permiten obtener información estructural de partes internas del cuerpo mediante la interacción de los ultrasonidos con los cambios de impedancia acústicas que presentan de forma natural los diferentes tipos de tejidos. Estas técnicas de imagen permiten mejorar los diagnostico de enfermedades como el cáncer, detectando células malignas en etapas precoces de evolución, aparte de otras enfermedades. La técnica de imágenes optoacústica combina las ventajas de las imágenes ópticas y ultrasónicas, como el alto contrastes y capacidad de detección espectroscópica de la luz y la alta resolución espacial de los ultrasonidos. La generación optoacústicas transforma pulsos ópticos laser de corta duración a ondas ultrasónicas por medio de un efecto termoelástico. Se está utilizando en varios escenarios, como imágenes anatómicas, funcionales y moleculares. Además de permitir la generación de ultrasonidos por medio de laser, logrando anchos de banda muy superiores a la generación tradicional de ultrasonidos. Típicamente, los láseres de estado sólido son las fuentes de luz usadas en las técnicas de imágenes optoacústicas, ya que pueden producir pulsos ópticos de duraciones cortas y de alta energía. Sin embargo, son voluminosos, caros y la velocidad de adquisición de imágenes es limitada debido a su baja tasa de repetición, lo que está lastrando su introducción en el ámbito clínico. Los diodos laser de alta potencia son una alternativa prometedora para obtener imágenes optoacústicas de pequeños volúmenes, ya que son compactos, asequibles y permiten altas tasas de repetición. Sin embargo, proporcionan potencias ópticas relativamente baja en comparación con los láseres de estado sólido. Los diodos laser de alta potencia necesitan drivers (controladores) con una electrónica especializada capaces de generar pulsos de alta corriente de alta velocidad con anchuras de pulso muy reducida para ser aplicados en las técnicas optoacústicas. El objetivo de esta tesis es incrementar las potencias y energías obtenidas con diodos laser de alta potencia para mejorar sus prestaciones como fuentes de generación optoacústica. Se han diseñado e implementado varios drivers de corriente basados en MOSFETs de radiofrecuencia y FETs de nitruro de galio, optimizados para generar pulsos de cientos de amperios con anchuras inferiores a 50ns. Por primera se ha estudiado varios diodos laser de alta potencia comerciales fuera de las especificaciones máxima de potencia óptica de pico mediante la inyección de corrientes muy superiores a las máximas permitidas (técnica de la sobrecorriente), pero empleando pulsos cortos que permiten que el diodo laser no experimente daños, alcanzando potencias de pico un 408% superiores a la potencia máxima nominal. Con el funcionamiento de los diodos laser de alta potencia en el régimen de sobrecorriente mejoramos la resolución y contraste de las imágenes optoacústicas en comparación de su utilización en el régimen de funcionamiento nominal. También se generaron imagen optoacústicas con un stacks de diodos laser y un driver personalizado, realizando una comparativa con las imágenes obtenidas por un láser de estado sólido. Se han generados por primera vez ultrasonidos con gran ancho de banda empleando diodos laser de alta potencia y compuesto basados en carbono, construyendo un transductor de ultrasonidos compacto y de bajo coste con capacidad de generación de imágenes ultrasónicas. Por último, se obtuvieron imágenes bimodales con sistema optoacústico y ultrasónico basado en diodos laser de alta potencia. Optical imaging techniques are widely used in medicine to obtain biomedical images through the interaction between light and tissues, allowing the acquisition of biological information from specific chromophores. On the other hand, ultrasonic imaging techniques make it possible to obtain structural information on internal parts of the body through the interaction of ultrasound with the changes in acoustic impedance that distinct types of tissues naturally present. These imaging techniques make it possible to improve the diagnosis of diseases such as cancer, detecting malignant cells in initial stages of evolution, apart from other diseases. The optoacoustic imaging technique combines the advantages of optical and ultrasonic imaging, such as the high contrast and spectroscopic detection capabilities of light and the high spatial resolution of ultrasound. Optoacoustic generation transforms short duration optical laser pulses into ultrasonic waves by means of a thermoacoustic effect. It is being used in various scenarios such as anatomical, functional, and molecular imaging. In addition to allowing the generation of ultrasound with laser. Solid-state lasers are typically the light sources used in optoacoustic imaging techniques, as they can produce high-energy, short-duration optical pulses. However, they are bulky, expensive, and the speed of image acquisition is limited due to their low repetition rate. This is hindering its introduction into the clinical field. High power diode lasers are a promising alternative for optoacoustic imaging of small volumes, as they are compact, affordable, and allow high repetition rates. However, they supply relatively low peak optical power compared to solid-state lasers. High power laser diodes require current pulse drivers with specialized high speed electronics and high current capacity to generate the light pulses. The aim of this thesis is to increase the powers and energies obtained with high power laser diodes to improve their characteristics as optoacoustic generation sources. Several current drivers based on radio frequency MOSFETs and gallium nitride FETs have been designed and implemented, optimized to generate pulses of hundreds of amperes with widths less than 50ns. For the first time, several commercial high-power laser diodes outside the maximum peak optical power specifications have been studied by injecting currents much higher than the maximum allowed (overcurrent technique) using short pulses that allow the laser diode not to experience damage, reaching peak powers 408% higher than maximum power. With the operation of high power diode lasers in the overcurrent regime, we improve the resolution and contrast of the optoacoustic images in comparison with their use in the nominal operation regime. In addition, optoacoustic images were generated with a laser diode stack and a custom driver, making a comparison with the images obtained by a solid state laser. High-bandwidth ultrasound has been generated for the first time using carbon-based composite and high-power laser diodes, building a compact and low-cost ultrasound transducer with ultrasonic imaging capability. Finally, bimodal images were obtained with an optoacoustic and ultrasonic system based on high power laser diodes. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidenta: María Carmen Vázquez García.- Secretario: Ignacio Esquivias Moscardó.- Vocal: Xosé Luís Deán Ben