Name: 用于多光子显微镜的全正常分散飞秒光纤激光器的低成本定制制造和模式锁定操作 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-11-22T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: 学习使用商用元件和基础熔接技术构建紧凑型全正常色散飞秒光纤激光器的方法。该技术成本低、抗振动，适用于多光子显微镜和生物医学成像研究。

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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。

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。
<ol>
	<li>切割第一根光纤。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>按下 &#34;cut&#34; 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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>切割第二根光纤。
	<ol>
		<li>使用另一个光纤夹具，对第二根光纤重复步骤 1.1。待熔接的两根光纤应在熔接机内由夹具固定，使切割后的端面对向彼此。</li>
		<li>关闭熔接机盖。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行光纤熔接。
	<ol>
		<li>在熔接机上设置参数，包括纤芯直径、模场直径（MFD）和包层直径。将对准方式设为包层对准。</li>
		<li>按下启动按钮，熔接机会自动对准。 
		注意：可能会出现有关切割端面形状不佳或切割角度过大的错误提示。这通常是由于切割质量差或切割后光纤受到污染所致。若发生此情况，应重复光纤切割步骤。</li>
		<li>在每个暂停点按下启动按钮以确认熔接质量。熔接将自动完成。</li>
		<li>通过熔接机执行的质量检测以及对熔接区域的摄像头视图检查熔接质量。良好的熔接应具有均匀的包层边界和沿光纤方向一致的亮度，使得熔接点不可见。 
		注意：熔接机通常配备光学系统，用于检测熔接点，并基于测量的几何形状、外形以及通过垂直于光纤的光源观察、成像和分析光折射情况来估算功率损耗。当然，这仅是一种估算，在大多数情况下已足够准确。对于相同类型的光纤，熔接机估算的损耗约为 ~0 dB（即无明显损耗）。根据下文所述不同类型光纤熔接的先前结果，熔接机估算的功率损耗范围为 0.07 dB（熔接点 B 和 C，图 1）至 0.3 dB（熔接点 D）。由于不同光纤之间的几何结构和折射率不匹配，这些估算值可能高估了实际损耗，因为这种不匹配会被误判为缺陷。</li>
		<li>打开熔接机盖，然后打开其中一个光纤夹具。在将熔接后的光纤从熔接机中取出之前，不应打开另一个光纤夹具。</li>
		<li>可选择添加光纤热缩套管以保护熔接点。可使用熔接机上的加热器将套管固定在光纤上，也可使用热风枪。 
		注意：如果两根光纤较长或已连接其他组件，则应在切割前将套管套入其中一根光纤上，之后再将其移至熔接位置。光纤套管的作用类似于电子电路中的热缩管，可用于保护熔接点免受弯曲或拉力影响。也可使用光纤涂覆仪对熔接点重新涂覆，以最大程度防止机械损伤，但该设备成本较高，若无现成设备则需额外购置。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 组装光纤部件
<ol>
	<li>将泵浦输出光纤 &#60;1&#62; 与泵浦信号合束器的泵浦输入端 &#60;2&#62; 熔接（参见光纤激光器示意图，图1）。
	<ol>
		<li>按照第1节操作，对光纤进行切割和熔接。使用BASIC I SP程序的默认设置，但需手动输入光纤参数（2-A和2-B）。所需输入的熔接参数见表1。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将合束器输出端 &#60;3&#62; 与掺镱有源光纤熔接。
	<ol>
		<li>按照步骤1.1操作，切割合束器输出光纤 &#60;3&#62;。</li>
		<li>切割有源光纤 &#60;4&#62;。 
		注：由于有源光纤 &#60;4&#62; 具有八边形包层，无法适配光纤切割刀的V型槽。因此，若仅按步骤1.1所述方法进行普通切割，所得切割角度将相对较大。为此，以下步骤描述了一种使用相同设备实现平整切割角度的特殊方案。
		<ol>
			<li>按照第1节操作，将有源光纤 &#60;4&#62; 与一段6/125单模光纤（SMF）进行切割和熔接。该SMF后续将被移除，不纳入激光器结构中。因此，即使该切割角度质量较差也可接受，此步骤无需获得平整的切割面。</li>
			<li>使用剪线钳在距熔接点约2 cm处切断SMF。</li>
			<li>剥离整段SMF的涂覆层，并额外剥离有源光纤0.5 cm的涂覆层。此时有源光纤末端被一段无涂覆层的2 cm长SMF所覆盖。</li>
			<li>按照步骤1.1.3–1.1.5的方法将有源光纤装入切割刀中。确保仅将具有圆形包层的SMF部分夹持在光纤夹具中。</li>
			<li>按照步骤1.1.6和1.1.7操作，切割有源光纤 &#60;4&#62;。由于仅SMF部分位于V型槽内，此次切割将获得最小的切割角度。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>按照步骤1.3操作，完成光纤熔接。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>粗略测量有源光纤远端 &#60;4&#62; 的总输出功率。
	<ol>
		<li>在距熔接点 &#60;B&#62; 约3 m处切断有源光纤 &#60;4&#62;。使用更长的有源光纤可获得更高的输出功率，但由于谐振腔长度增加，重复频率将降低。</li>
		<li>按照步骤1.1所述方法切割端面 &#60;4C&#62;。 
		注：由于下一步的功率测量为估算值，无需采用步骤2.2.2中所述方法。</li>
		<li>将光纤端面对准功率计，并使光纤与功率计靠近但不发生物理接触。 
		警告：若将光纤端面过于靠近功率计，可能导致功率计传感器损坏，因为光功率会集中在传感器上的微小区域。为避免此情况，请使用尽可能低的可靠泵浦功率。</li>
		<li>读取功率计上的输出功率。若效率通过率较高（&#62;80%），表明熔接点 &#60;A&#62; 和 &#60;B&#62; 的熔接质量足够良好。 
		注：由于有源光纤的吸收以及步骤2.3.2至2.3.3所述的功率计耦合方法效率不足，出现一定的功率损耗属于正常现象。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将有源光纤 &#60;4&#62; 与准直器 &#60;Col1&#62; 的输入端 &#60;5&#62; 熔接。
	<ol>
		<li>按照步骤2.2.2操作，切割有源光纤 &#60;4&#62; 的待熔接端 &#60;C&#62;，以便与准直器连接。</li>
		<li>将准直器 &#60;Col1&#62; 的输入端 &#60;5&#62; 截至约40 cm长。 
		注：无源光纤（&#60;5&#62;）长度不宜过长（&#62;40 cm），否则经增益光纤放大后的脉冲在时域和频域将显著展宽，这是由于自相位调制（SPM）和群速度色散（GVD）效应增强所致（脉冲放大过程）。这些效应将增加脉冲压缩的难度。</li>
		<li>按照步骤1.1和1.3操作，切割准直器输入端 &#60;5&#62;，并完成有源光纤与准直器光纤的熔接。 
		注：该熔接点 &#60;C&#62; 为双包层光纤与单模光纤的熔接，其外观质量可能低于此前的熔接点。然而，实际性能仅取决于纤芯对准情况，因为脉冲在纤芯中传播。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将第二个准直器 &#60;Col2&#62; 的光纤 &#60;6&#62; 与合束器的信号输入光纤 &#60;7&#62; 熔接。
	<ol>
		<li>按照第1节操作，对光纤进行切割和熔接。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 将光纤部件安装到光学平台上
<ol>
	<li>使用螺丝和必要的夹具将泵浦激光器安装到光学平台上。</li>
	<li>使用夹具将泵浦信号合束器安装到光学平台上。合束器与平台之间可涂抹导热硅脂，因为光学平台可作为合束器的散热装置。</li>
	<li>将光纤放置在平台上。光纤1、2、3、5、6和7可分别盘绕以节省空间，而有源光纤4应保持平直或以曲率半径&#62;20 cm的方式松散盘绕。请预留一定空间以便在下一步操作中接触熔接点&#60;C&#62;。 
	警告：有源光纤的过度弯曲可能导致泵浦光从有源光纤的内包层逸出，从而在光纤上产生致命的烧毁点，最终需要更换新的有源光纤。</li>
	<li>在熔接点&#60;C&#62;处涂抹折射率匹配凝胶。该凝胶用于引导泵浦光从有源光纤中逸出，以减少熔接点处的热量积聚和热损伤。注意无需对光纤进行重新涂覆，建议保持光纤裸露并覆盖折射率匹配凝胶，以最大限度降低热损伤风险。</li>
	<li>使用光学机械元件将两个准直器&#60;Col1&#62;和&#60;Col2&#62;安装并固定在光学平台上。两个准直器应相对放置，间距约为35 cm，以便为腔内自由空间光学元件的插入提供足够空间。</li>
</ol>
4. 组装自由空间部分
<ol>
	<li>打开泵浦激光器。将功率设置为 0.5 W（即高于锁模阈值，同时为系统组件调节提供安全的功率）。 
	警告：此时，实验空间必须具备四类激光安全认证，操作人员必须佩戴激光防护眼镜，并已完成四类激光安全培训。</li>
	<li>使用红外（IR）检测仪检查接续点 &#60;C&#62;在红外显微镜下观察到的任何亮斑处（提示可能存在热损伤点）涂抹折射率匹配凝胶，以帮助光线在这些风险点逸出。</li>
	<li>调整两个准直器的位置，使其直接相对。可使用红外观察卡辅助对准准直器入口孔径处的光束中心。</li>
	<li>将偏振分光棱镜（PBS）安装在距离目标位置6 cm处 &#60;Col1&#62;将功率计的传感器安装到位，以便持续测量反射激光输出光束的功率。功率计的波长应设置为1,060 nm。在未对准状态下，当泵浦功率为0.5 W时，典型的初始功率读数约为50 mW。</li>
	<li>调节准直器支架上的螺丝以提高功率计读数。持续进行微调，直至输出功率达到约150 mW的最大值，表明准直效果良好。 
	注意：此步骤需要仔细且耐心地调节，通常较为耗时。最有效的方法是遵循系统化的操作流程：首先，同时调节两个准直器上用于调整同一方向（X 或 Y）角度的螺丝，其中一个螺丝缓慢单向旋转，另一个则快速旋转，以扫描所有合理的角度范围。持续监测功率计的最大读数。当找到最大功率后，切换至调节另一方向的螺丝，重复上述缓慢旋转与快速扫描的过程。由于两个准直器内部透镜的反射，准直过程中可能出现多个局部极大值。实际的最大功率（约 150 mW）明显高于局部极大值（70 至 80 mW）。</li>
	<li>将隔离器安装在距...3厘米处 &#60;Col2&#62;再次调整准直器的方向，以对准自由空间光学元件并最大化输出功率。隔离器的存在可能会轻微偏转光束的准直，但通过精细调节准直器可恢复最大输出功率。</li>
	<li>安装双折射滤光片 &#60;BF&#62;，一个半波片 &#60;HWP&#62; 和两个四分之一波片（&#60;QWP1&#62; 和 &#60;QWP2&#62;) 到图示的相应位置 图1双折射滤光片被夹在两个偏振片之间——一个位于其前方（&#60;PBS&#62;）以及一个之后（在 &#60;ISO&#62;)-以产生正弦带通滤波效果。入射角必须为较小的角度（3°−5°）。 &#60;BF&#62; 为了控制波长范围，再次调节准直透镜的对准，直至输出功率达到最大值。</li>
</ol>
5. 安装腔外组件
<ol>
	<li>将分束器的三个端口（图1）均使用光纤连接器（FC）或超小型同轴连接器（SMA）进行熔接。连接器类型取决于光电二极管和光谱分析仪（OSA）的输入端口类型。熔接步骤与上述第1节中所述相同。</li>
	<li>使用FC连接器将分束器的一个输出端连接至光谱分析仪（OSA）的光电二极管输入端口，另一个输出端连接至光电二极管。</li>
	<li>使用卡口式尼尔-康西尔曼（BNC）电缆将光电二极管的输出端口连接至示波器（OSC）。</li>
	<li>将准直器 &#60;Col3&#62; 连接到分束器的输入端口。 
	注意：使用连接器连接分束器与 &#60;Col3&#62; 是为了操作方便。如有需要，此连接也可替换为熔接方式。</li>
	<li>移除功率计传感器。</li>
	<li>将小反射镜 &#60;M1&#62; 和第一块压缩光栅 &#60;G1&#62; 安装在光学平台上。为实现光栅压缩的最大效率，在调整光栅旋转角度以改变入射角的同时，使用功率计监测一级衍射最大值的光功率。 
	注意：可使用旋转台精确控制旋转角度。但由于入射角偏移导致的损耗较小，此处为降低成本未使用旋转台。</li>
	<li>将平移台安装在光学平台上，并将第二块压缩光栅 &#60;G2&#62; 安装在平移台上。两块光栅之间的距离应约为2 cm，并通过平移台进行微调以实现最佳压缩效果。确保两块光栅相互平行。</li>
	<li>将压缩器反射镜 &#60;M2&#62; 安装在光学平台上。该反射镜应保持竖直，并与平移台的移动方向垂直。</li>
	<li>安装其余的反射镜、分束器以及准直器 &#60;Col3&#62;。后续将进行光路对准调整。</li>
	<li>开启泵浦激光器，并将泵浦功率调节至低于0.5 W。</li>
	<li>使用红外观察仪检查熔接点 &#60;C&#62;，在任何亮斑处添加折射率匹配凝胶。 
	注意：第5.11步应在激光器正常使用期间定期执行。</li>
	<li>对压缩器进行对准。
	<ol>
		<li>使用红外卡定位光束，调整 &#60;M1&#62; 和压缩光栅的位置，使输出光束按以下顺序通过脉冲压缩组件：&#60;M1&#62;、&#60;G1&#62;、&#60;G2&#62;、&#60;M2&#62;、&#60;G2&#62;、&#60;G1&#62;、&#60;M1&#62;。</li>
		<li>轻微向上倾斜 &#60;M2&#62;，使反射光束抬高，从而从脉冲选择器反射镜 &#60;M1&#62; 上方通过。 
		注意：&#60;M2&#62; 可替换为回射器，从而无需倾斜拾取反射镜 &#60;M1&#62;。即，使用回射镜可使反射光束与入射光束平行但发生位移，从而简化光路设置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对准分束器的一个输出光束与准直器。
	<ol>
		<li>开启光谱分析仪（OSA），并将设备设置为功率计模式。</li>
		<li>调整反射镜 &#60;M3&#62; 和准直器的角度，以最大化输入功率。功率读数应高于 -10 dBm。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 实现锁模性能并对激光脉冲输出进行表征
<ol>
	<li>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 mV。</li>
	<li>将OSA光电二极管输入光纤移至单色输入端。将设备设置为OSA模式。</li>
	<li>通过调节波片来锁定激光的相位15.
	<ol>
		<li>旋转 &#60;QWP2&#62; 前后移动几度。锁模光谱大致由两个稳定峰构成，两峰之间呈平台状（即所谓的猫耳形或蝙蝠形）。同时，可在示波器上观察到稳定的脉冲序列。</li>
		<li>如果未观察到锁模光谱，则旋转 &#60;QWP1&#62; 向一个方向旋转几度，并重复步骤 6.3.1。</li>
		<li>如果重复步骤6.3.2仍无法观察到锁模光谱，则旋转 &#60;BF&#62; 重复步骤6.3.2若干次 
		注意：通过观察光谱分析仪（OSA）可以区分激光器运行的几种典型模式：1. 一个或两个窄峰（约1 nm），属于放大自发辐射（ASE）；2. 一个宽（约50 nm）且带有随机出现的断裂谱线的噪声状峰，属于部分锁模（PML）光谱。在这种类噪声脉冲模式下，每个脉冲的强度和持续时间均不恒定，除非通过延长像素驻留时间对脉冲波动进行积分，否则会导致图像质量较差。17 3. 一个ASE峰，其背景噪声由许多低幅度峰组成，此为非锁模的调Q模式。处于该模式时，通常可通过旋转 &#60;QWP1&#62; 小角度下。4. 蝙蝠侠形状的锁模光谱。 &#34;耳朵&#34; 通常具有不同的振幅，且在尖锐边缘特征之间呈现平坦的频谱。Davoudzadeh 等人针对每种工作模式提供了详细的测量数据和图示结果。17.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>获取并分析射频（RF）频谱。
	<ol>
		<li>将BNC电缆从OSC上断开，并连接至射频谱分析仪。 
		注意：不建议使用BNC三通适配器，因为地线会形成闭合回路，从而在电路中引发回波。射频频谱分析仪未在图中显示 图1，因为它在使用时所处的位置与OSC相同。</li>
		<li>按照射频频谱分析仪使用手册的说明，定位主频谱峰。可根据OSC测得的两个脉冲之间的时间间隔，计算出预期的大致频率。</li>
		<li>轻轻调整波片和双折射滤光片，以最大化信噪比，即主峰高度相对于背景的比值。 
		注意：锁模射频光谱应为单峰，无旁瓣。为获得最佳成像质量，信噪比（SNR）应至少达到70 dB。应通过光谱分析仪（OSA）仔细监测光谱，持续观察“蝙蝠侠”光谱形状，以确保激光器保持锁模状态。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按照制造商说明对自相关仪进行校准和操作，以测量脉冲持续时间。可使用腔外分束器的第二输出。一旦能够测量脉冲持续时间，仔细调节置于平移台上的 &#60;G2&#62; 通过调节两个光栅之间的距离来调节脉冲持续时间。 
	注意：为便于对准，最好安装镜面 &#60;M1&#62; 和 &#60;M2&#62; 与两个光栅及其安装的平移台分开。还需注意，在部分锁模状态下，皮秒脉冲表现为宽广的基底，同时伴有中心的飞秒脉冲峰特征17.</li>
	<li>逐步增加泵浦功率至0.5 W以上，以确定最大泵浦功率。已测试的功率可达约5 W。使用红外观察仪持续监测有源光纤。 &#60;4&#62;如果出现亮斑，说明腔内泵浦功率过高，在此泵浦水平下可能烧毁有源光纤。 
	注意：系统的最大输出功率取决于有源光纤的长度以及腔内自由空间元件的对准情况。本文所述方案可实现高达1 W的输出功率，且未出现腔内亮斑或烧蚀现象，该功率已足以满足大多数成像应用的需求。更高的输出功率尚未测试，可能可以实现，但可能会导致多脉冲现象。16,17,18.</li>
</ol>

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<li>Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Megawatt+peak+power+from+a+Mamyshev+oscillator%5BTitle%5D)+AND+%22Optica%22%5BJournal%5D)">Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator.</a> Optica. 4, 649-654 (2017).</li>
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</ol>

作者声明无竞争利益。

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...

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&#60;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&#62;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（&#62;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3,4,5，而全保偏（PM）光纤激光器对温度、湿度变化以及机械振动等环境因素也表现出良好的稳定性2,6,7,8。
本文介绍了一种使用市售元器件和标准光纤熔接技术构建低成本飞秒脉冲ANDi光纤激光器的方法。同时提供了表征脉冲重复频率、脉冲持续时间和相干性（完全锁模）的方法。所构建的光纤激光器可产生锁模脉冲，经压缩后脉宽可达70 fs，重复频率为31 MHz，中心波长位于1,060至1,070 nm范围内。激光谐振腔的最大输出功率约为1 W。ANDi光纤激光器的脉冲物理机制巧妙地利用了光纤固有的非线性偏振演化效应，作为可饱和吸收体的关键组成部分2,3,9,10,11。然而，这也意味着ANDi结构难以采用保偏（PM）光纤实现（尽管已有全保偏光纤结构的ANDi锁模激光器报道，但其输出功率较低且脉宽为皮秒量级12）。因此，为实现环境稳定性，需要进行大量的工程优化。下一代光纤激光器设计，如Mamyshev振荡器，有望实现完全的环境稳定性，其采用全保偏光纤结构，腔内脉冲能量可提高一个数量级，同时显著缩短脉冲持续时间，从而支持依赖宽光谱脉冲的应用13,14。这些新型飞秒光纤激光器的定制化制备需要专业知识和光纤熔接经验。

<table><tbody><tr><td>适配器、反射镜、支架、安装座和位移台（光学机械元件）</td><td>Thorlabs</td><td>TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)</td><td>标准光学元件</td></tr><tr><td>高级光纤切割刀</td><td>AFL</td><td>CT-100</td><td></td></tr><tr><td>自相关仪</td><td>Femtochrome</td><td>FR-103XL/IR/FA/CDA</td><td></td></tr><tr><td>分束器安装座</td><td>Thorlabs</td><td>BSH1/M</td><td></td></tr><tr><td>工厂熔接机</td><td>AFL</td><td>FSM-100P</td><td></td></tr><tr><td>光纤准直器</td><td>OZ Optics (加拿大)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>3x</td></tr><tr><td>光纤耦合高速光电探测器</td><td>Thorlabs</td><td>DET08CFC</td><td></td></tr><tr><td>自由空间隔离器</td><td>Thorlabs</td><td>IO-5-1050-HP</td><td></td></tr><tr><td>自由空间隔离器</td><td>Thorlabs</td><td>IO-3D-1050-VLP</td><td></td></tr><tr><td>半波片</td><td>Union Optics (中国)</td><td>WPZ2312</td><td>2x</td></tr><tr><td>高功率多模光纤泵浦模块</td><td>Gauss Lasers (中国)</td><td>Pump-MM-976-10</td><td></td></tr><tr><td>高功率泵浦光与信号光合束器</td><td>ITF Technology (加拿大)</td><td>MMC02112DF1</td><td></td></tr><tr><td>折射率匹配凝胶</td><td>Thorlabs</td><td>G608N3</td><td></td></tr><tr><td>光谱分析仪</td><td>Keysight</td><td>Agilent 70951B</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Keysight</td><td>Agilent 54845A</td><td></td></tr><tr><td>无源双包层光纤（5/130 &amp;mu;m）</td><td>ITF Technology (加拿大)</td><td>MMC02112DF1</td><td>3m，随合束器提供</td></tr><tr><td>偏振分束器</td><td>Thorlabs</td><td>PBS253</td><td></td></tr><tr><td>四分之一波片</td><td>Union Optics (中国)</td><td>WPZ4312</td><td>2x</td></tr><tr><td>石英双折射滤光片</td><td>Newlight (加拿大)</td><td>BIR1060</td><td></td></tr><tr><td>射频频谱分析仪</td><td>Tektronix</td><td>RSA306B</td><td></td></tr><tr><td>单模光纤（6/125 &amp;mu;m）</td><td>OZ Optics (加拿大)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>1m，随准直器提供</td></tr><tr><td>单模光纤耦合器</td><td>AFW (澳大利亚)</td><td>FOSC-2-64-30-L-1-H64-2</td><td></td></tr><tr><td>透射式衍射光栅 1</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-3212-94</td><td>用于压缩器</td></tr><tr><td>透射式衍射光栅 2</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-60x12.3-94</td><td>用于压缩器</td></tr><tr><td>波片旋转安装座</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td>4x</td></tr><tr><td>掺镱单模双包层光纤</td><td>Thorlabs</td><td>YB1200-6/125DC</td><td>3m</td></tr></tbody></table>

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

Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

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。

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...

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。

介绍了一种构建定制低成本但高性能飞秒（fs）光纤激光器的方案。该全正常色散（ANDi）掺镱...

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。

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