The almost 1 billion high myopes predicted by 2050 make myopia the leading cause of permanent blindness worldwide, due to the significant increased risk for impairing pathologies. Refractive eye development is a tightly coordinated process, which involves a complex cross-tissue signaling process, encoding a multilayered signaling cascade, which converts visual stimuli into molecular signals that guide the postnatal growth of the eye. Linking metabolic/molecular processes with structural changes following the retina-sclera cross-tissue signaling during emmetropization will help understanding the mechanism underlying eye growth.

Multiphoton microscopy has allowed a partial understanding of structural/molecular changes in ocular tissues. In this project, we aim at combining for the first time Fluorescence (TPEFM) & Second Harmonic Generation (SHG) microscopy to unravel the links between molecular and structural changes following tissue-tissue interaction. The project will target the quantitative assessment of optical, structural and molecular properties of ocular tissues in myopia development. In particular, the project will target the following specific research objectives: (1) To develop novel ocular TPEF-SHG imaging strategies;(2) To link SHG and fluorescence lifetime signals in ocular tissues; (3) To quantify molecular/structural tissue-tissue disruptions in ocular tissues in an animal model A dedicated novel FLIM-TPEFM channel will be developed and incorporated to a SHG microscope for ocular applications previously developed at ViobioLab. The project will benefit highly from the incorporation of a fellow with background in optics, physics, optical/biomedical engineering, who will support high resolution imaging developments, participate in the design, implementation and realization of experimental work.

The fellow will have the opportunity to join an international, interdisciplinary, young and dynamic team, with international leadership and large experience, will receive a multidisciplinary training, will participate in laboratory meetings, collaborative networks and encouraged to present their research in international meetings. The proposed research presents important basic, clinical and technological implications which will be disseminated and communicated to a large audience: academic community, researchers, students, ophthalmic industry and eye care professionals, through different media

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Una de las líneas de investigación del Grupo de Óptica Visual y Biofotónica es desarrollar instrumentación para simular las correcciones multifocales que se emplean actualmente para tratar los efectos de la presbicia. Con estos sistemas se puede simular la visión que el paciente tendrá con una determinada corrección antes de su implantación y experimentar con las propiedades ópticas de una corrección incluso antes de que esta exista físicamente.

Los simuladores visuales proyectan la corrección física en la pupila del ojo o reproducen su mapa de fase en un modulador espacial de luz. Recientemente, hemos propuesto una nueva metodología que simula las correcciones utilizando lentes electro-ópticas. Estas lentes cambian su forma mediante un actuador mecánico que se activa con una corriente eléctrica y modifican muy rápidamente la forma de sus superficies y por tanto su potencia óptica. La visión a través de una lente electro-óptica que se mueve a una frecuencia elevada tiene una apariencia estática porque el ser humano no es capaz de visualizar parpadeos si se trabaja por encima de unos 90 Hz (es la base del cine o la televisión). Sin embargo, a frecuencias altas hay efectos dinámicos no esperados debido a la inercia de la membrana que es importante caracterizar y corregir.
Tradicionalmente esta caracterización se ha realizado estudiando el cambio en la potencia óptica con cámaras de alta velocidad que pueden llegar a resoluciones temporales de un máximo de 4 KHz. El problema de dichos métodos es que no permiten el estudio de otras características, como el astigmatismo o las aberraciones de alto orden. El candidato explorará una nueva vía para realizar una medida de los efectos dinámicos en lentes opto ajustables utilizando un sistema de imagen basado en Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) con una resolución de 7 micras y una velocidad de adquisición de 200 KHz. El objetivo principal del trabajo es realizar la primera caracterización de los efectos dinámicos en una lente electro-óptica en el orden de los cientos de kilohercios. Además, dicha caracterización permitirá por primera vez (1) la medida de forma precisa de la geometría de cada una de las superficies de la lente en cada instante de tiempo, (2) la posibilidad de realizar modelos ópticos para caracterizar dinámicamente no solo el cambio de potencia sino también las aberraciones de alto orden, (3) el estudio de la onda de presión transmitida desde el actuador hasta el centro de la lente.

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El objetivo de este proyecto es investigar cómo afecta el nivel de simetría de una matriz periódica de nanopartículas a sus resonancias de red. Las matrices periódicas de nanoestructuras metálicas son capaces de soportar modos colectivos conocidos como resonancias de red. Debido a su naturaleza colectiva, estas resonancias producen respuestas ópticas muy intensas, con factores de calidad récord para sistemas formados por nanoestructuras metálicas. Estas propiedades extraordinarias hacen que las matrices periódicas de nanoestructuras sean excelentes candidatas para una variedad de aplicaciones, como por ejemplo el desarrollo de sensores ópticos ultrasensibles para la detección de compuestos biológicos. En este proyecto investigaremos los efectos de ruptura de simetría en matrices periódicas creadas a partir de la repetición de una celda unidad con más de una nanoestructura. El nivel de simetría de la matriz, el cual está determinado por la posición relativa de las nanopartículas en la celda unidad así cómo como por su tamaño y morfología, determina las propiedades ópticas de las resonancias de red. Por tanto, es esperable que el cambio en la simetría del sistema resulte en nuevos fenómenos, tales como modos fuera de plano y efectos subradiantes.

Para realizar esta investigación, el/la estudiante contribuirá a la implementación de un modelo semianalítico altamente eficiente, basado en el método de dipolos acoplados, para la descripción de la respuesta óptica de matrices periódicas. Tras ello, comparará los resultados de este modelo con simulaciones numéricas obtenidas usando un algoritmo de elementos finitos. Una vez comprobada la validez del modelo semianalítico, el/la estudiante explotará su eficiencia para investigar diferentes sistemas periódicos, estudiando el efecto que los diferentes parámetros geométricos y sus simetrías tienen en la respuesta óptica. El/la estudiante estará supervisado por el Dr. Alejandro Manjavacas y trabajará conjuntamente con el doctorando Juan Deop-Ruano. El/la estudiante, además de familiarizarse con los conceptos fundamentales de la nanofotónica, aprenderá a programar en Python y Matlab, y a usar clústeres de computación científica. Este conjunto de habilidades es de los más demandados para los profesionales en campos STEM. Por tanto, la formación recibida ayudará al estudiante a desarrollar una carrera profesional de éxito.

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The responses of visual neurons, as well as visual perception phenomena in general, are highly nonlinear functions of the visual input, while vision models and artificial neural networks (ANN) are grounded on the notion of a linear receptive field (RF). But there are a number of problems that are inherent to considering the RF as having a linear form, including: (1) In order to produce accurate results, the RF should change with the input; (2) Models that use linear RFs require a lot of data in order to approximate functions that are highly nonlinear; (3) The linear RF is not supported by more recent neuroscience. In a recent article we have proposed to model the RF in a nonlinear manner, introducing the intrinsically nonlinear receptive field (INRF):
https://www.nature.com/articles/s41598-020-73113-0 The INRF model is more physiologically plausible, and preliminary results demonstrate that it overcomes some of the most important limitations of the linear RF mentioned above. We also proved that ANNs with INRF modules instead of linear filters have a remarkably improved performance and better emulate basic human perception. The main goal of this position is to further develop the INRF model, performing interdisciplinary research in vision science, mathematics and machine learning, with applications to image processing, computer vision and the media industry. The grantee will carry out his/her work at the Instituto de Óptica in Madrid, under the supervision of Marcelo Bertalmío, in close contact with two postdocs in his lab (one specialized in visual perception and the other in visual neuroscience and machine learning), and with access to high quality experimental data from ongoing collaborations of the Tutoring Investigator with labs in France (CNRS) and Germany (University of Tübingen).

Tentative schedule:
Month 1. Getting acquainted with the INRF model and its numerical implementation. Literature overview.
Month 2. Compilation of vision science data for testing. First cycle of parameter optimization.
Month 3. Analysis of results. Proposal of improvements and extensions to the model. Second cycle of parameter optimization.
Month 4. Validation of model on computer vision applications with a new ANN formulation.
Month 5. Validation of model on video applications.
Month 6. Final cycle of parameter optimization. Analysis of results, model improvements and extensions.
Month 7. Writing of a scientific paper summarizing the findings.

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El procesado de materiales por láser es una técnica de micromecanizado potente y precisa, que a diferencia de los métodos tecnológicamente dominantes hoy en día basados en la litografía no requiere productos químicos reactivos y permite procesar grandes superficies a alta velocidad. En particular, el uso de pulsos ultracortos focalizados abre la posibilidad de depositar energía de forma muy localizada, permitiendo la transformación de los materiales en la escala sub-micrométrica. Sin embargo, el elevado número de parámetros físicos involucrados en la interacción láser-materia, tanto los relacionados con las características del láser a utilizar como las ligadas a la propia naturaleza del material a procesar, hace muy difícil predecir la transformación que se va a producir.

Lejos de ser un inconveniente, esta amplia gama de parámetros implicados ofrece enormes posibilidades inexploradas, tanto desde el punto de vista de los fundamentos físicos como de las aplicaciones derivadas. Así pues, en este proyecto, se propone a el/la joven investigador/a explorar nuevas estrategias que favorezcan aumentar la precisión (espacial y volumétrica) del procesado láser. Entre otros aspectos, se propone hacer uso de haces espacialmente conformados, superando de esta forma el extendido uso de haces gaussianos, y la utilización de radiación visible o ultravioleta, lejos del rango espectral infrarrojo normalmente utilizado. El plan de formación incluye una primera etapa de lectura bibliográfica sobre aspectos ligados a la transformación de materiales con pulsos ultracortos (fenómenos no-lineales, excitación electrónica, fusión, ablación, cambio de fase, etc), abarcando conceptos fundamentales (modelos teóricos) y estrategias experimentales.

La segunda etapa formativa consistirá en el aprendizaje de desarrollos experimentales para el procesado de materiales mediante láser, incluyendo la utilización de material avanzado como moduladores espaciales de luz. Finalmente, una vez adquiridas estas destrezas el/la joven investigador/a se iniciará en la investigación científica explorando las mencionadas estrategias para procesar distintos tipos de materiales (metales, dieléctricos, etc). En esta etapa se incluye la formación de el/la joven investigador/a en técnicas de caracterización de materiales y en el posible desarrollo de modelos numéricos.

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El Grupo de Procesado por Láser (GPL) ha demostrado recientemente la posibilidad de fabricar micro- y nano-estructuras superficiales periódicas de grandes imensiones tanto en metales, semiconductores y dieléctricos [1-3], como en multicapas de nanoparticulas embebidas en dieléctricos [4]. Todo esto permite la funcionalización de una amplia gama de materiales en diferentes configuraciones (masivo o lámina delgada) dentro de un espectro amplio de aplicaciones que incluye el ámbito de la fotónica. Las técnicas de irradiación por láser empleadas para obtener dichas estructuras son esencialmente dos. Por un lado, la estructuración por escritura directa de pulsos láser fuertemente enfocados (DLW). Por otro lado, haciendo uso de un proceso de interferencia de pulsos láser levemente enfocados con una onda superficial de luz dispersada, dando lugar a estructuras periódicas (LIPSS). El proyecto propuesto para la beca JAE Intro se centra en la consolidación de un tercer método, desarrollado recientemente en nuestro grupo [5], que se basa en la interferencia de dos pulsos de femtosegundos levemente enfocados (DLIP).

Dicha técnica combina las ventajas de las dos técnicas anteriores; la alta precisión de DLW con la alta velocidad de procesado de LIPSS. El plan de formación y de actividades estará dirigido por Jan Siegel, Profesor de Investigación del GPL y contará con la colaboración de otros expertos del GPL. El plan se reparte en dos bloques equilibrados; por un lado, proporcionar una formación amplia para permitir que el/la becario/a adquiera diversas capacidades y competencias. Por otro lado, llevar a cabo un proyecto de investigación interesante e viable en una de líneas de investigación del Grupo que han dado lugar a una enorme producción científica y visibilidad internacional. En concreto, el plan de formación y actividades consiste en las siguientes fases: Formación bibliográfica.

Introducción en técnicas de procesado por láser. Control y alineación de haces láser. Control de instrumentación de fabricación por ordenador. Procesado con láser (DLIP) de diferentes materiales para aplicaciones en fotónica. Caracterización óptica mediante microscopía óptica y electrónica. Análisis de resultados. Preparación de informes científico-técnicos y difusión de resultados. Referencias:
[1] https://doi.org/10.1021/acsami.1c19935
[2] https://doi.org/10.1038/s41598-017-04891-3
[3] https://doi.org/10.1002/adom.202001086
[4] https://doi.org/10.1002/adom.2021

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Formación en los temas de la linea de investigación “FOTION”, basados en el uso de iones de alta energía para el procesado de materiales de interés
fotónico, con vistas a aplicaciones novedosas. Los iones de alta energía (hasta 50 MeV) disponibles en el CMAM (www.cmam.uam.es) permiten generar, en la mayoría de los materiales de interés tecnológico, diversos patrones de procesado causados por la elevada densidad de energía depositada por los iones a lo largo de sus trazas de propagación (sintonizable entre 0,1- 15 keV/nm, dependiendo del número atómico del ion). Esta elevada excitación puede generar desde defectos puntuales hasta amorfización selectiva. El patrón de procesado/dañado se puede “sintonizar” para producir, desde nanotrazas amorfas (diámetro de pocos nm y longitud micrométrica), hasta capas homogéneamente dañadas de grosor micrométrico. El haz de iones macroscópico se puede focalizar a tamaños micrométricos con instrumental adecuado disponible y/o en desarrollo en el CMAM. Asimismo se puede “pulsar” electrostáticamente.

Se puede también irradiar materiales en modo haz externo para explorar funcionalizaciones originales debidas al efecto del tipo de atmósfera y control continuo de energía. Se dispone de láseres pulsados (ns y fs) para estudiar la sinergia de procesado original combinando la irradiacón con iones y pulsos láser. Se estudian materiales ópticos para tres aplicaciones principales: fotónica integrada (LiNbO3, Al2O3, SiO2, etc), ópticas para instrumentación espacial en el UV profundo (MgF2) y para elementos de diagnóstico para energía de fusión (SiO2, Al2O3). Metodologías disponibles: -Medidas de caracterización estructural mediante técnicas \\\”Ion Beam Analysis\\\”: RBS/C. -Caracterización óptica: medidas ópticas de reflectancia y transmitancia óptica UV-VIS; espectroscopía Raman in-situ durante irradiación y ex-situ. Elipsometría óptica -Caracterización de superficies irradiadas: Perfilometría y AFM

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El objetivo del proyecto es investigar las propiedades ópticas y de calidad visual de lentes intraoculares mediante sistemas en banco óptico para medidas
precisas de la PSF (la imagen de un punto o Point Spread Function) y de las aberraciones oculares.

El/la estudiante se incorporará en el laboratorio de Óptica Visual y Biofotónica, del Instituto de Óptica del CSIC y las actividades propuestas están relacionadas con la oftalmología y la investigación en técnicas de imagen del ojo humano con el fin de mejorar la capacidad diagnóstica para evaluar el sistema visual pre y post- cirugía de cataratas. En particular se evaluarán nuevas soluciones oftálmicas para el tratamiento de la presbicia y cataratas. Se planea realizar estudios de las lentes intraoculares antes de ser implantadas o adaptadas al ojo, mediante 1) instrumentación de metrología basado en la obtención de la PSF para el cálculo de la MTF (Modulation Transfer Function) para la medida objetiva de la calidad óptica y visual de nuevos implantes intraoculares, 2) medidas de aberrometría mediante sistema de sensado de frente de onda para medida de aberraciones oculares y 3) sistema de óptica adaptativa, con la lente intraocular en una cubeta que permite simular la visión que el sujeto tendría con esa lente intraocular implantada, antes de una cirugía de cataratas, y evaluar la calidad óptica y visual de la visión en voluntarios utilizando técnicas psicofísicas de medida de la percepción subjetiva.

El/la estudiante estará supervisado por la Dr. Lucie Sawides y podrá recibir apoyo de otros miembros del grupo. El/la estudiante se familiarizará con los conceptos fundamentales en investigación en óptica visual, con distintos sistemas ópticos desarrollados por el grupo y con las métricas utilizadas actualmente para el estudio de la calidad óptica y visual (MTF, Visual Strehl, RMS). Con su trabajo, se hará imagen de la PSF de la lente intraocular a través de foco, no solo para evaluar su calidad óptica, sino también para investigar la aparición de efectos fóticos (halos, glare) asociados a los diferentes diseños de lentes intraoculares. Además, el/la estudiante tendrá acceso al software de diseño óptico Ansys-Zemax para evaluar la calidad óptica en modelos de ojos y utilizará este programa y Matlab para analizar los datos experimentales obtenidos.

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