本文介绍了一种用于多光子显微镜、内窥镜和光医学等潜在应用的定制低成本锁模飞秒光纤激光器的构建方法。该激光器采用市售元器件和基本的光纤熔接技术制成。
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本文内容
摘要
摘要
本文介绍了一种构建低成本但高性能飞秒（fs）光纤激光器的定制方案。该全正常色散（ANDi）掺镱光纤激光器完全采用 commercially available 部件搭建，包括价值 8,000 美元的光纤和泵浦激光组件，以及价值 4,800 美元的标准光学元件和腔外附件。对于初次从事光纤器件制备的研究人员，还可考虑投入约 63,000 美元购置基本的光纤熔接和激光脉冲表征设备。为确保激光器的最佳运行，本文还提供了区分真实锁模与表观锁模（部分锁模或类噪声状态）性能的关键方法。该系统实现的脉冲持续时间为 70 fs，中心波长约为 1,070 nm，脉冲重复频率为 31 MHz。该光纤激光器展现了易于组装的光纤激光系统所能达到的峰值性能，因此特别适用于致力于开发紧凑型、便携式飞秒激光技术的研究实验室，有望推动临床多光子显微成像和飞秒手术等新应用的实现。
引言
固态飞秒（fs）脉冲激光器广泛应用于显微成像和生物研究。一个典型的应用是多光子激发（MPE）荧光显微技术，该技术需要高脉冲峰值功率和低平均功率，以促进多光子激发过程并同时最小化光损伤效应。目前市场上已有多种高性能固态激光器，当其与光学参量振荡器（OPO）结合使用时，激光波长可在较宽范围内调节1。例如，商用振荡器-OPO系统可产生<120 fs的脉冲持续时间（通常脉冲重复频率为80 MHz），在680至1,300 nm波长范围内提供>1 W的平均输出功率。然而，这些商用可调谐飞秒激光系统的成本较高（>20万美元），且固态系统通常需要水冷，难以满足临床应用中的便携性需求。
近年来，超短脉冲光纤激光技术已日趋成熟。商用飞秒脉冲光纤激光器的成本通常明显低于固体激光器，尽管其不具备上述固体激光系统所拥有的宽波长调谐能力。需要注意的是，在需要时，光纤激光器可与光学参量振荡器（OPO）结合使用（即混合型光纤-固体激光系统）。光纤激光系统具有较大的表面积与体积比，可实现高效的空气冷却2。因此，由于其体积相对较小且冷却系统更为简化，光纤激光器比固体激光系统更便于携带。此外，光纤元件的熔接连接降低了系统复杂性和机械漂移，相比之下，固体器件中的光学元件则依赖自由空间光路准直。上述所有特性使光纤激光器成为临床应用的理想选择。事实上，已有全光纤激光器被开发用于低维护运行
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方案
1. 熔接单模光纤（SMF）
注意：第1节包含拼接SMF的一般步骤。此步骤虽非必需，但建议使用廉价光纤练习光纤熔接。此步骤可确保在使用更昂贵的光纤材料前，熔接设备能够正常工作。
- 切割第一根光纤。
- 使用光纤剥线工具剥离约 30 mm 的光纤。对于脆弱的光纤（例如双包层光纤），可使用剃刀刀片小心地剥去涂覆层。
- 用沾有乙醇或异丙醇的无尘纸清洁已剥除涂覆层的光纤。擦拭时若发出嗡嗡声，表明光纤已足够清洁。
- 将光纤夹具放置在光纤切割器上。确保切割器的刀片、光纤夹具以及夹具本身均保持清洁。可用蘸有酒精的棉签清洁切割器的这些部件。
- 小心地将光纤装入光纤夹具中，使自由端留出约 25 mm 已剥离且清洁的光纤，以便切割器夹持。
- 轻轻闭合切割器上的光纤夹具。为避免对光纤施加额外张力，可重新打开并再次闭合夹具，以释放张力。
- 按下 "cut" 按钮，切割器将自动完成光纤切割。
注意：为确保光纤保持清洁，切割后不得触碰光纤端面。 - 将光纤夹具转移至熔接机。使用镊子将从光纤上切下的部分移至锐器废弃物容器中。
警告：硬质镊子或尖锐的镊子尖端可能损坏光纤。操作光纤时应选用具有塑料圆头尖端的合适镊子。
- 切割第二根光纤。
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结果
在完成光纤激光器的制备流程后，验证其锁模运行状态至关重要。飞秒脉冲生成质量与激光器稳定性的典型特征如下：首先，可通过第6步所述的仪器对输出脉冲进行充分表征。激光振荡器输出的脉冲光谱应以约1,070 nm为中心，呈现特征性的“猫耳”或“蝙蝠侠”形状，该形状由ANDi脉冲物理的数值模拟所预测，是锁模状态的明确标志15（图2A）。尽管该特征光谱是脉冲相干性的良好指标，但仍需进行额外测试以确认完全锁模、稳定性以及预期的激光性能。为进一步诊断锁模状态，分别使用自相关仪和射频（RF）频谱分析仪测量脉冲持续时间和脉冲重复频率的功率谱。在锁模运行期间，这两项测量均应呈现单一峰且无基底。在进行自相关测量时，可通过调节光栅对实现脉冲压缩。实测脉冲宽度可达70 fs（半高全宽）（图2B）。该去啁啾脉冲宽度接近当前激光器设计的估计变换极限压缩值：变换极限由实测脉冲.......
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讨论
本文所述方案综合了几十年来激光物理实验室中的常用技术与专业知识，但这些内容对许多生物医学研究人员而言往往较为陌生。本研究旨在使超快光纤激光技术更易于被更广泛的科研群体所掌握。ANDi 光纤激光器的设计已有成熟基础，最初由 Wise 及其同事在具有里程碑意义的研究中提出3。然而，其他研究团队在实现该技术时，有时报道的激光器无法正常运行，这表明有必要进一步向生物医学研究人员普及脉冲表征和锁模运行中一些非平凡技术细节的相关知识。
请注意，定制激光器的制造和操作通常不适合不熟悉激光操作与安全的实验室。在尝试构建4类激光器之前，必须接受激光安全培训并充分考虑潜在危害。由于激光系统是开放式的，存在两个主要的反射光束（来自压缩器光栅和腔内偏振分束器）以及来自其他光学元件的多个次要反射，这些反射均需加以遮挡。自由空间光学元件应牢固固定在稳定的光学平台上，以保持光路准直。相比之下，商用激光器始终采用封闭式设计以确保安全，并通常配备自动准直机制，因而操作更简便且更安全。
如上所述，本文介绍的定制飞秒.......
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披露
作者声明无竞争利益。
致谢
感谢E. Cronin-Furman博士和M. Weitzman博士（美国奥林巴斯公司科学解决方案部门）在获取图像方面提供的帮助。本研究由美国国立卫生研究院资助项目K22CA181611（授予B.Q.S.）以及马萨诸塞州牛顿市理查德和苏珊·史密斯家庭基金会（Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research，授予B.Q.S.）资助支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 适配器、反射镜、支架、安装座和位移台（光学机械元件） | Thorlabs | TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x) | 标准光学元件 |
| 高级光纤切割刀 | AFL | CT-100 | |
| 自相关仪 | Femtochrome | FR-103XL/IR/FA/CDA | |
| 分束器安装座 | Thorlabs | BSH1/M | |
| 工厂熔接机 | AFL | FSM-100P | |
| 光纤准直器 | OZ Optics (加拿大) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 3x |
| 光纤耦合高速光电探测器 | Thorlabs | DET08CFC | |
| 自由空间隔离器 | Thorlabs | IO-5-1050-HP | |
| 自由空间隔离器 | Thorlabs | IO-3D-1050-VLP | |
| 半波片 | Union Optics (中国) | WPZ2312 | 2x |
| 高功率多模光纤泵浦模块 | Gauss Lasers (中国) | Pump-MM-976-10 | |
| 高功率泵浦光与信号光合束器 | ITF Technology (加拿大) | MMC02112DF1 | |
| 折射率匹配凝胶 | Thorlabs | G608N3 | |
| 光谱分析仪 | Keysight | Agilent 70951B | |
| 示波器 | Keysight | Agilent 54845A | |
| 无源双包层光纤（5/130 μm） | ITF Technology (加拿大) | MMC02112DF1 | 3m，随合束器提供 |
| 偏振分束器 | Thorlabs | PBS253 | |
| 四分之一波片 | Union Optics (中国) | WPZ4312 | 2x |
| 石英双折射滤光片 | Newlight (加拿大) | BIR1060 | |
| 射频频谱分析仪 | Tektronix | RSA306B | |
| 单模光纤（6/125 μm） | OZ Optics (加拿大) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 1m，随准直器提供 |
| 单模光纤耦合器 | AFW (澳大利亚) | FOSC-2-64-30-L-1-H64-2 | |
| 透射式衍射光栅 1 | LightSmyth | T-1000-1040-3212-94 | 用于压缩器 |
| 透射式衍射光栅 2 | LightSmyth | T-1000-1040-60x12.3-94 | 用于压缩器 |
| 波片旋转安装座 | Thorlabs | RSP1/M | 4x |
| 掺镱单模双包层光纤 | Thorlabs | YB1200-6/125DC | 3m |
参考文献
- Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124(2010).
- Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875(2013).
- Kieu, K., Wise, F.
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重印与许可
