低成本定制化全正色散飞秒光纤激光器的制备及其锁模运行用于多光子显微成像

飞秒脉冲激光器在多光子显微镜中具有广泛的应用。本方案可用于制备一种紧凑、稳定且成本低廉的全正常色散飞秒光纤激光器。与商用的固态超快激光器相比，该技术所制备的激光器成本显著降低，因其仅由市售可得的元器件组成。

此外，光纤激光器无需水冷，因此系统体积更小。最后但同样重要的是，光纤组件无需准直，使系统具有较强的抗振动能力。与 commercially available 系统不同，该激光器没有用于阻挡杂散光的外壳。

需要有经验的人员来组装和操作激光器。某些实验看似无法重复，是因为在遵循书面说明时很可能遗漏一些未明确指出的细节。而在视频演示中，观众不会遗漏任何内容。

首先熔接单模光纤（SMF），以在使用更昂贵的光纤材料之前确保熔接设备的正常性能。使用光纤剥线工具剥离约30毫米的光纤涂覆层。若处理的是易碎光纤，可使用剃刀刀片小心地剥除缓冲层。

使用无绒布蘸取乙醇或异丙醇清洁已剥除涂覆层的光纤。擦拭时若发出嗡嗡声，表明光纤已足够洁净。然后，将光纤夹具放置在光纤切割器上，并确保切割器的刀片、光纤夹具的夹头以及光纤夹具本身均保持清洁。

小心地将光纤装入光纤夹具中，使光纤切割器自由端留出约 25 毫米已剥除涂覆层的清洁光纤用于夹持。轻轻闭合光纤切割器上的光纤夹具。为避免光纤承受过度张力，可重新打开再闭合夹具。

按下“切割”按钮，切割刀将自动切割光纤。使用带有塑料圆头的镊子将从光纤上切下的部分移至锐器处置容器中，并将光纤夹持器转移至熔接机。重复上述步骤，对第二根光纤进行切割。

待熔接的两根光纤应由光纤熔接机中的光纤夹具固定，使光纤的切割端面相对放置。关闭熔接机盖子，设置参数，如纤芯直径、模场直径和包层直径。将对准方式设为包层对准，按下“设置”按钮，熔接机将自动进行对准。

每次停止时按下“设置”按钮，以确认对准质量。接续将自动完成。使用熔接机的质量控制功能以及该区域的摄像头视图来检查接续质量。

良好的熔接应具有均匀的包层边界和沿光纤长度方向均匀的亮度，使得熔接点不可见。然后打开熔接机盖板和其中一个光纤夹具。可选择添加光纤保护套管以保护熔接点，并可使用熔接机的加热器将套管熔缩固定在光纤上。

将合束器输出端与掺镱有源光纤连接。按照先前所述步骤切割合束器输出端光纤。由于其包层形状特殊，应先将有源光纤切割，并与一段单模光纤熔接，该单模光纤后续将被移除。

用剪线钳从单模光纤的熔接点处约两厘米位置切断。然后，剥离整段单模光纤以及0.5厘米的有源光纤，使有源光纤末端保留两厘米无缓冲层的单模光纤。将有源光纤装入光纤切割器中，确保光纤夹仅夹住单模光纤部分。

从此时起，请遵循先前所述的光纤切割与拼接步骤。安全是首要考虑事项。请务必将每一段光纤碎片放入锐器盒中。

此外，泵浦源工作时应始终佩戴激光防护眼镜。打开示波器，将仪器设置为交流耦合模式，并将触发电平设为30毫伏。将光谱分析仪的光电二极管输入光纤移至单色光输入端口，并将设备设为OSA模式。

然后，通过调节波片锁定激光的相位。将二分之一波片2来回旋转几度。锁模光谱由两个稳定的峰构成，峰之间有一个平台。

同时，在示波器上观察稳定的脉冲序列。如果仍未观察到锁模光谱，将四分之一波片1沿一个方向旋转几度，并重复前述步骤。如果仍然未观察到光谱，将双折射滤光片旋转几度，并重复该过程。

在完成光纤激光器的制备后，验证了锁模运行状态。激光振荡器输出的脉冲光谱中心波长约为1070纳米，呈现典型的“猫耳”形状，这与数值模拟预测的锁模特征一致。为进一步确认锁模状态，分别使用自相关仪和射频谱分析仪测量了脉冲持续时间和脉冲重复频率的功率谱。

测得脉冲持续时间为70飞秒。通过持续监测平均输出功率和脉冲光谱来测试脉冲稳定性。当激光装置安装在带有减振功能的隔振光学平台上时，在无主动冷却条件下连续24小时的功率漂移小于3.5%。

在确认锁模后，使用简单的测试目标和生物样本测试了成像性能。在调节脉冲功率期间测量荧光信号，验证了信号与到达样本平面的激光功率呈二次依赖关系。利用自行搭建的光纤激光器对染色和未染色的生物样本进行了成像。

为了进一步验证双光子激发效果，将多色荧光微球的高光谱成像结果与商用半导体激光器线性激发下获得的图像进行了比较。最后，对比了半导体激光器与定制的光纤飞秒激光器激发下绿色和红色微球的归一化光谱。自由空间组件可替换为相应的光纤部件，从而进一步提高系统的稳定性和便携性。

全光纤系统可置于推车上，适用于临床场景。自由空间组件可由相应的光纤部件替代，从而进一步提高系统的稳定性和移动性。全光纤系统可置于推车上，适用于临床场景。

这项技术的影响尚不明确。我们预计，它将为研究人员提供接触飞秒激光技术的新途径，并助力他们产出新的研究成果。