Nuestros dispositivos ópticos facilitan el diagnóstico clínico y la fototerapia

Nos dedicamos a la ciencia de la fotónica que incluye los procesos de generación y detección de la luz así como su manipulación, guiado

¿Qué lugar ocupa España en el desarrollo de la fotónica?
En Europa hay países que nos llevan mucha ventaja. Alemania produce el 40% de la tecnología fotónica que se genera en Europa, Francia e Inglaterra generan el 12% cada uno, Holanda el 10% e Italia el 8%. Sin embargo, los científicos españoles poseen un gran prestigio internacional y están capacitados para desarrollar ciencia y tecnología en este ámbito, al mismo nivel que los países más avanzados. A pesar de ello, muchas veces tengo la sensación de que se presta más atención a la nanotecnología en el interior de nuestras fronteras mientras que las aportaciones de la fotónica pasan mucho más desapercibidas.

¿Cuáles son las aportaciones del grupo que coordina?
Nos dedicamos a la ciencia de la fotónica que incluye los procesos de generación y detección de la luz así como su manipulación, guiado y su interacción con la materia. Uno de los ámbitos en los que trabajamos es en energía y láseres ultrarrápidos. En este sentido, participamos en el proyecto SAUUL del programa Consolider-Ingenio 2010. Colaboran en esta iniciativa ocho grupos de investigación nacionales alrededor del Centro de Láseres Pulsados Ultracortos y Ultraintensos, una instalación científico-técnica singular que se encuentra en Salamanca. En torno a esta instalación, articulamos la participación española en el centro de investigación europeo Extreme Light Infrastructure (ELI) que nace con el objetivo de desarrollar en Europa uno de los láseres más intensos del mundo. Sería una gran infraestura al estilo del LHC del CERN pero, en este caso, dedicada a la luz.

La esencia de estos láseres de última generación son los pulsos de luz de femtosegundo. Un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo, de ahí que los láseres se llamen ultrarrápidos o ultracortos. Cada pulso sería como un pequeño paquete de luz. Podemos hacernos una idea de la extrema brevedad de uno de estos paquetes de luz a través de una comparación muy ilustrativa: la duración de uno de estos pulsos es a un minuto lo que un minuto es a la edad del universo. En inglés, se refieren a este fenómeno como light bullets, balas de luz.

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¿Qué se puede hacer con un fenómeno tan extraordinariamente breve?
Las posibilidades son casi infinitas. De hecho, una vez que somos capaces de manipular los pulsos con precisión los podemos utilizar en aplicaciones tan diversas como aumentar la velocidad y la capacidad de los sistemas de telecomunicaciones ópticas o generar nanopartículas y reacciones nucleares. Aunque los pulsos láser individuales tienen poca energía, cuando la energía se comprime en el tiempo a la escala del femtosegundo, el paquete o bala de luz desarrolla una extraordinaria potencia energética. El láser de nuestro laboratorio, por ejemplo, alcanza unos 10 GW.

Esto quiere decir que, durante un femtosegundo, podemos depositar sobre una muestra de material una cantidad de energía equivalente al consumo eléctrico promedio de todo el Estado español durante ese mismo tiempo. Además, con una lente es posible enfocar esa radiación en un punto con un tamaño aproximado de la centésima parte del diámetro de un cabello humano, por lo que se alcanzan unas intensidades de radiación elevadísimas. Esta tecnología amplía las posibilidades respecto a otras fuentes de luz láser ya que permiten mecanizar en frío, es decir, sin daño térmico de la zona circundante de la zona a tratar.

¿Cómo avanzan estas tecnologías?
Muchas se encuentran todavía en estado de investigación básica pero cada vez hay un mayor interés en trasladar la tecnología de láser de femtosegundo al mercado por su precisión. La que desarrollamos en el proyecto Consolider, por ejemplo, ha sido capaz de hacer micromecanizado de materiales con una precisión sin precedentes: la marca que dejan estos láseres en el material llega a ser de tamaño nanométrico. En aplicaciones industriales se utilizan en el manufacturado de células fotovoltaicas o también para abrir minúsculos agujeros en las toberas de los motores para controlar el flujo de combustible. En el ámbito biomédico se utilizan rutinariamente en operaciones de cirugía ocular, en la técnica de diagnóstico clínico conocida como microscopía multifotón o en el corte y mecanizado de diferentes tipos de implantes médicos.

¿Cómo emplean en la UJI este láser tan potente?
En aplicaciones del ámbito de la biofotónica, esto es, la utilización de la luz para estudiar o estimular procesos biológicos. Estos láseres emiten radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético lo que facilita su penetración en el interior del tejido biológico, como el que forma nuestros órganos. Sin embargo, el material biológico dispersa extraordinariamente la luz. Esto dificulta el uso de la radiación luminosa para el diagnóstico clínico y la fototerapia. Es el caso de querer emplear un láser para quemar una parte interior del tejido, las células situadas delante dispersan la luz en todas direcciones y no se concentra la energía en el punto exacto. Este problema se agrava al utilizar pulsos de femtosegundo por su brevísima duración y su complicado manejo. Por tanto, los principales desafíos a los que nos enfrentamos son: focalizar la luz en un medio turbio, como es el tejido biológico, y obtener imágenes de calidad del interior del cuerpo a una cierta profundidad.

En esta línea, analizamos con la empresa austriaca FEMTOLASERS la viabilidad de incorporar uno de nuestros diseños ópticos a su línea comercial de esta tecnología, y participamos en una investigación con la Purdue University (EE UU) para controlar la radiación óptica de femtosegundo. Por una parte se pretende evitar que los pulsos de luz se deformen al propagarse por un material, pero también poder diseñar el perfil del pulso con objeto de conseguir el efecto deseado en su interacción con el material para lo que utilizamos pequeños displays de cristal líquido que permiten controlar espacialmente la radiación óptica.

¿Qué ha conseguido su grupo en cuanto a los sistemas de captación de imágenes?
Nuestro laboratorio ha puesto a punto una tecnología para el diseño de sensores ópticos basada en el paradigma de que es posible comprimir la información simultáneamente a su captura y que se conoce como compressive sensing. De este modo, no se recurre a la compresión posterior que se sigue habitualmente para facilitar o incluso hacer posible el almacenamiento y la distribución de las imágenes. Este nuevo tipo de sensores resulta muy útil en aplicaciones que tratan con imágenes con un gran volumen de información, como por ejemplo algunos tipos de imágenes médicas, y además permite optimizar el diseño de algunas tecnologías habituales en el ámbito de la imagen científica. Junto a otros centros, trabajamos en el desarrollo de un sensor óptico multidimensional que permite integrar en un solo dispositivo la medida de múltiples dimensiones físicas de una muestra, tales como su reflectancia o transmitancia a la radiación, su comportamiento espectral o su comportamiento ante radiación polarizada. Además, este tipo de sensor permite la visualización de tejido biológico sin necesidad de utilizar tintes.

En el ámbito de imagen médica también exploramos la posibilidad de utilizar esta tecnología para obtener imágenes radiológicas de alta resolución minimizando la dosis de exposición al paciente y, por tanto, mitigando parcialmente sus posibles efectos adversos. Este último trabajo se desarrolla en el marco de nuestra participación en el Instituto Superior de Investigación Colaborativa sobre Imagen Biomédica que lidera el I3M (UPV-CSIC-CIEMAT) para desarrollar nuevos métodos e instrumentación para imagen biomédica.

¿Y aquí se enmarca la cámara de un solo píxel que han desarrollado, descrita por la Sociedad Americana de Física como «una investigación de carácter excepcional»?
Habitualmente pensamos que cuantos más píxeles tiene una cámara fotográfica, mejores imágenes registrará, pero resulta que a veces es más un problema que una ventaja, sobre todo si hay poca luz. En ese caso, la escasa luz se reparte entre los millones de píxeles y a cada píxel le llega una fracción minúscula. Nuestra cámara monopíxel está destinada principalmente a capturar imágenes científicas en las que se utiliza fluorescencia. No obstante, alguna empresa del sector de la seguridad y tecnología militar también se ha interesado por este desarrollo ya que nuestra cámara proporciona una solución competitiva para captar imágenes en el rango del espectro electromagnético del infrarrojo. En el ámbito militar se recurre a la radiación infrarroja para ver en condiciones de iluminación escasa o deficiente pero es difícil encontrar cámaras convencionales que registren estas imágenes. También trabajamos en un proyecto PROMETEO financiado por la Generalitat Valenciana sobre dispositivos fotónicos avanzados en el que se incluyen las dos líneas de investigación: la de los láseres y la de la captura de imagen. Hemos empezado a probar dispositivos capaces de compensar de antemano los efectos de la difusión y permiten enfocar la radiación en su interior e incluso capturar imágenes con buena resolución.

¿Ha pensado en crear una empresa spin off para explotar estos resultados?
En mi experiencia lo ideal es encontrar una empresa internacional interesada en integrar la tecnología que desarrollas y que ocupe una posición consolidada y, a ser posible, destacada dentro su sector tecnológico. El caso de la colaboración incipiente que tenemos con FEMTOLASERS es el modelo ideal. Por una parte, el hecho de que este tipo de empresa muestre interés por la comercialización de una de la tecnología que desarrollas en tu laboratorio te permite conocer desde el punto de vista del mercado el interés real de tus propuestas. Por otra parte, puedes aprovechar sus sistemas de producción, su red de clientes, etc. Lamentablemente, el número de este tipo de empresas en el ámbito de la fotónica a nivel del estado español es escaso. Realizar una buena docencia y una investigación de calidad requieren un elevado esfuerzo a nivel personal que, en mi caso, difícilmente resulta compatible con la aventura de crear una empresa y comercializar productos. Es complicado ser especialista en todo, yo prefiero centrarme en desarrollar una ciencia básica de calidad e impartir una buena docencia y formar a jóvenes profesionales.

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