Methodenartikel

Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie

DOI:

10.3791/60160

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22. November 2019

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1Translational Biophotonics Cluster, Northeastern University, 2Department of Physics, Northeastern University, 3Department of Bioengineering, Northeastern University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Eine Methode wird vorgestellt, um einen benutzerdefinierten kostengünstigen, modusgesperrten Femtosekunden-Faserlaser für potenzielle Anwendungen in der Multiphotonenmikroskopie, Endoskopie und Fotomedizin zu entwickeln. Dieser Laser wird mit handelsüblichen Teilen und grundlegenden Spleißtechniken gebaut.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ein Protokoll wird vorgestellt, um einen benutzerdefinierten kostengünstigen und dennoch leistungsstarken Femtosekunden-Faserlaser (fs) zu erstellen. Dieser All-Normal-Dispersion (ANDi) Ytterbium-dotierte Faserlaser wird komplett aus handelsüblichen Teilen gebaut, darunter 8.000 US-Dollar in Faseroptik- und Pumpenlaserkomponenten sowie 4.800 US-Dollar in optischen Standardkomponenten und Extra-Cavity-Zubehör. Forscher, die neu in der Herstellung von Glasfasergeräten sind, können auch in Investitionen in grundlegende Faserspleiß- und Laserpulscharakterisierungsgeräte investieren (63.000 USD). Wichtig für eine optimale Laserbedienung, werden Methoden zur Überprüfung der tatsächlichen oder scheinbaren (teilweisen oder geräuschähnlichen) modusgesperrten Leistung vorgestellt. Dieses System erreicht eine Pulsdauer von 70 fs mit einer Mittleren Wellenlänge von ca. 1.070 nm und einer Pulswiederholungsrate von 31 MHz. Dieser Faserlaser zeigt die Spitzenleistung, die für ein leicht zu montierendes Faserlasersystem erzielt werden kann, was dieses Design ideal für Forschungslabors macht, die kompakte und tragbare fs-Lasertechnologien entwickeln wollen, die neue Implementierungen von klinische Multiphotonenmikroskopie und fs Chirurgie.

Einleitung

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Festkörper femtosekunden (fs) gepulste Laser sind weit verbreitet für die Mikroskopie und biologische Forschung verwendet. Ein typisches Beispiel ist die Verwendung der Multiphotonen-Anregung (MPE)-Fluoreszenzmikroskopie, bei der hohe Spitzenleistung und geringe Durchschnittsleistung gewünscht werden, um den MPE-Prozess zu erleichtern und gleichzeitig Photoschadenmechanismen zu minimieren. Viele Hochleistungs-Festkörperlaser sind im Handel erhältlich, und in Kombination mit einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) kann die Laserwellenlänge über einen weiten Bereich1abgestimmt werden. Beispielsweise erzeugen kommerzielle Oszillator-OPO-Systeme <120 fs Pulsdauern (in der Regel mit einer Impulswiederholungsrate von 80 MHz) und >1 W Durchschnittsleistung von 680 bis 1.300 nm. Die Kosten für diese kommerziellen abstimmbaren fs-Lasersysteme sind jedoch erheblich (> 200.000 USD), und Festkörpersysteme erfordern in der Regel eine Wasserkühlung und sind nicht für klinische Anwendungen tragbar.

Die ultrakurze gepulste Faserlasertechnologie ist in den letzten Jahren gereift. Die Kosten für einen kommerziellen fs gepulsten Faserlaser sind in der Regel deutlich niedriger als Festkörperlaser, wenn auch ohne die Fähigkeit der breiten Wellenlängenabstimmung, die von den oben genannten Festkörpersystemen ermöglicht wird. Beachten Sie, dass Faserlaser auf Wunsch mit OPOs gekoppelt werden können (d. h. Hybridfaser-Festkörpersysteme). Das große Flächen-Volumen-Verhältnis von Faserlasersystemen ermöglicht eine effiziente Luftkühlung2. Daher sind Faserlaser aufgrund ihrer relativ geringen Größe und ihres vereinfachten Kühlsystems tragbarer als Festkörpersysteme. Darüber hinaus reduziert das Fusionsspleißen der Faserkomponenten die Systemkomplexität und das mechanische Driften im Gegensatz zur Freiraumausrichtung der optischen Komponenten, aus der Festkörpergeräte bestehen. All diese Eigenschaften machen Faserlaser ideal für klinische Anwendungen. In der Tat, All-Faser-Laser wurden für wartungsarmen Betrieb entwickelt3,4,5, und All-Polarisation-Maintaining (PM)-Faser-Laser sind stabil gegenüber Umweltfaktoren einschließlich Änderungen der Temperatur und Feuchtigkeit sowie mechanische Vibrationen2,6,7,8.

Hier wird eine Methode zum Bau eines kostengünstigen fs gepulsten ANDi-Faserlasers mit handelsüblichen Teilen und Standard-Faserspleißtechniken vorgestellt. Es werden auch Methoden zur Charakterisierung von Pulswiederholungsrate, Dauer und Kohärenz (Vollmodussperre) vorgestellt. Der resultierende Faserlaser erzeugt modusgebundene Impulse, die mit einer Wiederholungsrate von 31 MHz und einer Wellenlänge von 1.060 bis 1.070 nm auf 70 fs komprimiert werden können. Die maximale Leistung der Laserhöhle beträgt ca. 1 W. Die Pulsphysik der ANDi-Faserlaser nutzt elegant die nichtlineare Polarisationsentwicklung, die der optischen Faser innewohnt, als Schlüsselkomponente des sättlichen Absorbers2,3,9,10,11. Dies bedeutet jedoch, dass das ANDi-Design nicht einfach mit PM-Faser implementiert werden kann (obwohl eine All-PM-Faserimplementierung der ANDi-Modus-Sperre gemeldet wurde, wenn auch mit geringer Leistung und ps-Pulsdauer12). Daher erfordert die Umweltstabilität erhebliches Engineering. Faserlaser-Designs der nächsten Generation, wie der Mamyshev-Oszillator, haben das Potenzial, vollständige Umweltstabilität als All-PM-Fasergeräte zu bieten, die in der Lage sind, die Intrakavitätenpulsenergie in der Größenordnung zu erhöhen, sowie eine signifikante Abnahme der Pulsdauer, um Anwendungen zu ermöglichen, die auf Breitpulsspektren13,14basieren. Die kundenspezifische Fertigung dieser innovativen neuen fs-Faserlaser-Designs erfordert Know-how und Faserspleißerfahrung.

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Protokoll

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1. Splice Single Mode Fasern (SMF)

HINWEIS: Abschnitt 1 besteht aus allgemeinen Schritten zum Spleißen von SMFs. Dies ist ein nicht wesentlicher, aber empfohlener Schritt zum Üben von Faserspleißen mit preiswerten Fasern. Dieser Schritt gewährleistet die ordnungsgemäße Leistung der Spleißgeräte, bevor wertvollere Glasfasermaterialien verwendet werden.

  1. Cleave die erste Faser.
    1. Ca. 30 mm der Faser mit einem Faserabisolierwerkzeug abstreifen. Bei zerbrechlichen Fasern (z.B. doppelverkleideten Fasern) kann eine Rasierklinge verwendet werden, um den Puffer vorsichtig abzuschälen.
    2. Verwenden Sie fusselfreies Gewebe mit Ethanol oder Isopropanol, um die abgestreifte Faser zu reinigen. Ein brummendes Geräusch beim Abwischen der Faser zeigt an, dass die Faser ausreichend sauber ist.
    3. Legen Sie den Faserhalter auf den Faserspalter. Stellen Sie sicher, dass die Klinge, die Faserklemme des Cleavers und der Faserhalter alle sauber sind. Wattestäbchen mit Alkohol können verwendet werden, um diese Teile des Cleavers zu reinigen.
    4. Laden Sie die Faser vorsichtig in den Faserhalter. Lassen Sie ca. 25 mm abgestreifte, saubere Faser am freien Ende für den Cleaver zu klemmen.
    5. Schließen Sie die Faserklemme vorsichtig am Cleaver. Um zusätzliche Spannung auf die Faser zu vermeiden, öffnen Sie die Klemme erneut und schließen Sie sie, so dass die Spannung gelöst wird.
    6. Drücken Sie die "Cut"-Taste und der Cleaver spaltet die Faser automatisch.
      HINWEIS: Um sicherzustellen, dass die Faser sauber bleibt, sollte nichts die Faserspitze nach dem Cleaving berühren.
    7. Übertragen Sie den Faserhalter auf den Fusionsspleißer. Verwenden Sie eine Pinzette, um das von der Faser abgeschnittene Stück in einen scharfen Entsorgungsbehälter zu bewegen.
      VORSICHT: Harte Pinzette und scharfe Pinzettenspitzen können die Faser brechen. Eine geeignete Pinzette für den Umgang mit Glasfasern sollte Kunststoff-, abgerundete Spitzen haben.
  2. Cleave die zweite Faser.
    1. Wiederholen Sie Schritt 1.1 auf der zweiten Faser mit dem anderen Faserhalter. Die beiden zu spleißenden Fasern sollten mit den spaltenden Enden, die von den Faserhaltern innerhalb des Faserspleißers gegeneinander gehalten werden, geklammert werden.
    2. Schließen Sie die Abdeckung des Spleißers.
  3. Fusion spleißen die Fasern.
    1. Richten Sie die Parameter am Fusionsspleißer ein, einschließlich Kerndurchmesser, Modusfelddurchmesser (MFD) und Verkleidungsdurchmesser. Legen Sie die Ausrichtungsmethode auf Cladding fest.
    2. Drücken Sie die Starttaste, und der Spleißer wird automatisch ausgerichtet.
      HINWEIS: Es ist möglich, Fehlermeldungen in Bezug auf eine schlechte Spaltenform oder einen großen Spaltenwinkel zu erhalten. Dies ist in der Regel auf eine schlechte Spalte oder Kontamination der Faser nach dem Spalten zurückzuführen. Wiederholen Sie in diesem Fall den Faserabweilvorgang.
    3. Drücken Sie die Starttaste an jeder Haltestelle, um die Qualität des Spleißes zu bestätigen. Der Spleiß wird automatisch durchgeführt.
    4. Überprüfen Sie die Qualität des Spleißes durch die vom Spleißen durchgeführten Qualitätskontrollen sowie über die Kameraansicht des Spleißbereichs. Ein guter Spleiß hat eine gleichmäßige Verkleidungsgrenze und gleichmäßige Helligkeit entlang der Faser, so dass keine Spleiß-Kreuzung sichtbar ist.
      HINWEIS: Faserspleißer enthalten häufig Optiken, um den Spleiß zu untersuchen und den Leistungsverlust basierend auf der gemessenen Geometrie, Form und Lichtbrechung durch die Faser zu schätzen, wobei eine Quelle senkrecht zur Faser verwendet wird, um das Spleißgelenk anzuzeigen, abzubilden und zu analysieren. Natürlich ist dies nur eine Schätzung, aber in den meisten Fällen reicht sie aus. Bei identischen Fasern schätzt der Spleißer diesen Verlust auf 0 dB (d.h. keinen nachweisbaren Verlust). Aus den vorherigen Ergebnissen mit den unten beschriebenen unterschiedlichen Faserspleißen reichen die Spleißerschätzungen der Leistungsverluste von 0,07 dB (Spleißpunkte B und C, Abbildung 1) bis 0,3 dB (Spleißpunkt D). Diese Schätzungen überschätzen höchstwahrscheinlich den Verlust aufgrund nicht übereinstimmender Geometrie und Brechung der unterschiedlichen Faseroptik, die fälschlicherweise als defekte Objekte erscheinen.
    5. Öffnen Sie die Spleißabdeckung, und öffnen Sie dann einen der Faserhalter. Der andere Faserhalter sollte erst geöffnet werden, wenn die gespleißte Faser aus dem Spleißer entfernt ist.
    6. Optional kann eine Faserhülse hinzugefügt werden, um den Spleiß zu schützen. Die Heizung an der Spleißer kann verwendet werden, um die Hülse auf die Faser zu formen. Alternativ kann eine Heißluftpistole verwendet werden.
      HINWEIS: Wenn die beiden Fasern sehr lang sind oder an anderen Komponenten befestigt sind, sollte die Hülse vor dem Abkleben auf eine der Fasern gelegt werden, und dann kann sie zum Spleißpunkt bewegt werden. Die Faserhülse wirkt wie ein Schrumpfrohr in elektronischen Schaltungen. Es kann verwendet werden, um den Spleißpunkt vor einer Biege- oder Zugkraft zu schützen. Ein Faserlackierer kann stattdessen verwendet werden, um den Spleißpunkt zum maximalen Schutz des Spleißpunkts vor mechanischen Beschädigungen neu zu beschichten, wenn auch mit erheblichem Mehraufwand, da dieses Gerät gekauft werden muss, wenn es nicht ohne weiteres verfügbar ist.

2. Montieren Sie die Faserteile

  1. Spleißen Sie die Pumpenausgangsfaser <1> mit dem Pumpeneingang <2> des Pumpensignalkombinats (siehe Faserlaserdiagramm, Abbildung 1).
    1. Folgen Sie Abschnitt 1, um die Fasern zu spalten und zu spleißen. Verwenden Sie die Standardeinstellung des Programms BASIC I SP, mit Ausnahme der Faserparameter (2-A und 2-B), die manuell eingegeben werden müssen. Die zu spleißenden Spleißparameter finden Sie in Tabelle 1.
  2. Spleißen Sie die Combiner-Ausgabe <3> an die Yb-dotierte aktive Faser.
    1. Folgen Sie Schritt 1.1, um die Combiner-Ausgangsfaser <3> zu spalten.
    2. Cleave die aktive Faser <4>.
      HINWEIS: Da die aktive Faser <4> eine achteckige Verkleidung hat, passt sie nicht in die V-Nut des Faserspalters. Daher ergibt ein einfacher Spalten, wie in Schritt 1.1 beschrieben, einen relativ großen Spaltenwinkel. So werden in den folgenden Schritten ein spezielles Protokoll beschrieben, um einen flachen Spaltenwinkel mit der gleichen Ausrüstung zu erreichen.
      1. Folgen Sie Abschnitt 1, um die aktive Faser <4> und ein Stück 6/125 SMF zu spalten und zu spleißen. Diese SMF wird später entfernt und nicht in den Laser integriert. Daher ist es akzeptabel, wenn die Qualität dieses Spaltenwinkels schlecht ist. Es ist nicht wichtig, einen flachen Spaltenwinkel für diesen Schritt zu erhalten.
      2. Schneiden Sie die SMF ca. 2 cm vom Spleißpunkt mit einem Drahtschneider ab.
      3. Entfernen Sie die gesamte Länge der SMF, und streifen Sie die aktive Faser für weitere 0,5 cm. Jetzt ist die aktive Faser mit 2 cm pufferlosem SMF gekrönt.
      4. Laden Sie die aktive Faser wie in den Schritten 1.1.3-1.1.5 in den Cleaver. Stellen Sie sicher, dass nur die SMF, die eine kreisförmige Verkleidung hat, durch die Faserklemme geklemmt wird.
      5. Befolgen Sie die Schritte 1.1.6 und 1.1.7, um die aktive Faser <4> zu spalten. Da sich nur die SMF in der V-Nut befindet, ergibt dieser Spaltenwert einen minimalen Spaltenwinkel.
    3. Folgen Sie Schritt 1.3, um die Fasern zu spleißen.
  3. Messen Sie grob die Gesamtleistung vom distalen Ende der aktiven Faser <4>.
    1. Schneiden Sie die aktive Faser <4> auf 3 m vom Spleißpunkt ab. Längere aktive Fasern können für eine höhere Ausgangsleistung verwendet werden, aber die Wiederholungsrate wird durch die Erhöhung der Hohlraumlänge reduziert.
    2. Cleave the end <4C> as mentioned in step 1.1.
      HINWEIS: Da die Leistungsmessung im nächsten Schritt geschätzt wird, ist es nicht erforderlich, die in Schritt 2.2.2 genannte Methode zu verwenden.
    3. Richten Sie die Faser auf den Leistungsmesser und bringen Sie den Faser- und Leistungsmesser ohne physischen Kontakt zusammen.
      WARNUNG: Wenn Sie die Faserspitze zu nah am Leistungsmesser setzen, wird möglicherweise der Leistungsmessersensor beschädigt, da die Lichtleistung auf einen kleinen Punkt am Sensor konzentriert ist. Um dies zu vermeiden, verwenden Sie eine minimale zuverlässige Pumpenleistung.
    4. Lesen Sie die Leistung vom Leistungsmesser. Eine große (>80%) Der Effizienzdurchsatz zeigt an den Punkten und ausreichende Qualitätspleiße an.
      HINWEIS: Es ist normal, dass aufgrund der Absorption der aktiven Faser und aufgrund der Ineffizienz der Kopplungsmethode an das Leistungsmesser, wie in den Schritten 2.3.2 bis 2.3.3 erwähnt, ein gewisser Leistungsverlust aufgetreten ist.
  4. Spleißen Sie die aktive Faser <4> an den Eingang <5> des Kollimators .
    1. Folgen Sie Schritt 2.2.2, um die aktive Faser <4> am Ende zu spalten, um auf den Kollimator gespleißt zu werden.
    2. Schneiden Sie die Eingabe <5> des Kollimators auf ca. 40 cm.
      HINWEIS: Die Länge der passiven Faser (<5>) sollte nicht zu lang sein (>40 cm), da sich der verstärkte Puls in der Zeit und der Spektraldomäne aufgrund erhöhter Selbstphasenmodulation (SPM) und Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) erheblich vergrößert. durch die Verstärkungsfaser (Pulsverstärkung). Diese Effekte erhöhen die Schwierigkeit der Pulskompression.
    3. Befolgen Sie die Schritte 1.1 und 1.3, um den Kollimatoreingang <5> zu spalten und die aktiven und kollimatoren Fasern zu spleißen.
      HINWEIS:Dieser Spleiß Spleiß einer doppelt verkleideten Faser zu einer SMF kann von einer niedrigeren Qualität als die vorherigen Spleiße sein. Die tatsächliche Leistung hängt jedoch nur von der Kernausrichtung ab, da sich der Impuls innerhalb des Kerns ausbreitet.
  5. Spleißfaser <6> des zweiten Kollimators an die Signaleingangsfaser <7> des Kombinierers.
    1. Folgen Sie Abschnitt 1, um die Fasern zu spalten und zu spleißen.

3. Montieren Sie die Faserteile am optischen Tisch

  1. Montieren Sie den Pumpenlaser mit Schrauben und allen notwendigen Klemmen am optischen Tisch.
  2. Montieren Sie den Pumpensignalkombinator mit Klemmen am optischen Tisch. Thermische Paste kann zwischen dem Mähdrescher und dem Tisch verwendet werden, da die optische Tabelle als Kühlkörper für den Mähdrescher funktioniert.
  3. Legen Sie die Fasern auf den Tisch. Die Fasern 1, 2, 3, 5, 6 und 7 können einzeln aufgewickelt werden, um Platz zu sparen, während die aktive Faser 4 entweder gerade oder lose mit einem Krümmungsradius >20 cm gewickelt sein sollte. Lassen Sie etwas Platz, um auf Spleiß für den nächsten Schritt zuzugreifen.
    VORSICHT: Eine starke Biegung in der aktiven Faser kann dazu führen, dass das Pumpensignal der inneren Verkleidung der aktiven Faser entweicht. Dies kann zu tödlichen Brennpunkten entlang der aktiven Faser führen, die die Installation einer neuen aktiven Faser erfordert.
  4. Wenden Sie das Index-Matching-Gel auf splice an. Das Index-Matching-Gel wird verwendet, um das Pumpenlicht aus der aktiven Faser zu leiten, um die Erzeugung von Wärme und thermischen Schäden am Spleißpunkt zu reduzieren. Beachten Sie, dass es nicht notwendig ist, die Faser neu zu beschichten. Es ist vorzuziehen, die Faser nackt und mit Index-Matching-Gel beschichtet zu lassen, um das Risiko von thermischen Schäden zu minimieren.
  5. Verwenden Sie optomechanische Teile, um die beiden Kollimatoren und auf der optischen Tabelle zu montieren und zu fixieren. Die Kollimatoren sollten sich mit einer Trennung von ca. 35 cm gegenüberstehen, um ausreichend Platz für das Einsetzen der In-Cavity-Freiraumkomponenten zu bieten.

4. Montieren Sie die Freiraumteile

  1. Schalten Sie den Pumpenlaser ein. Stellen Sie die Leistung auf 0,5 W (d. h. über dem Schwellenwert für die Modussicherung noch eine sichere Stromversorgung für die Ausrichtung von Systemkomponenten).
    WARNUNG: An dieser Stelle muss der Laborraum Laserklasse IV laserzertifiziert sein, Laserschutzbrillen müssen getragen werden, und das Personal muss eine Laserschulung der Klasse IV erhalten haben.
  2. Verwenden Sie einen Infrarotbereich (IR), um den Spleißpunkt zu überprüfen. Wenden Sie das Index-Matching-Gel auf alle hellen Flecken an, die durch den IR-Bereich gesehen werden (ein Hinweis auf potenzielle Thermische Schäden), um Licht an diesen Risikopunkten zu entkommen.
  3. Passen Sie die Position der beiden Kollimatoren so an, dass sie direkt aufeinander zeigen. Eine IR-Anzeigekarte kann verwendet werden, um die zentrierte Strahlausrichtung an den Eingangsöffnungen des Kollimators zu unterstützen.
  4. Montieren Sie einen polarisierenden Strahlsplitter (PBS) 6 cm von entfernt. Montieren Sie den Sensor eines Leistungsmessers so, dass die Leistung des reflektierten Laserausgangsstrahls kontinuierlich gemessen werden kann. Die Wellenlänge des Leistungsmessers sollte auf 1.060 nm eingestellt werden. Eine typische Startleistungsmessung mit 0,5 W Pumpenleistung beträgt vor der Ausrichtung 50 mW.
  5. Stellen Sie die Schrauben an den Kollimatorhalterungen ein, um den Messwert des Leistungsmessers zu erhöhen. Nehmen Sie die Feineinstellungen so lange vor, bis die Ausgangsleistung einen Maximalwert von ca. 150 mW erreicht, was auf eine hervorragende Ausrichtung hinweist.
    HINWEIS: Dieser Schritt erfordert eine sorgfältige und geduldige Anpassung, die oft zeitaufwändig ist. Am effizientesten ist es, ein systematisches Verfahren zu verfolgen: Drehen Sie zunächst die beiden Schrauben, die den Winkel in die gleiche Richtung (X oder Y) an den beiden Kollimatoren einstellen, wobei eine Schraube sehr langsam in eine Richtung rotiert, während die andere schnell dreht, um alle angemessene Winkel. Verfolgen Sie weiterhin den maximalen Messwert vom Leistungsmesser. Sobald die maximale Leistung gefunden ist, wechseln Sie zu den Schrauben und stellen Sie sich in eine andere Richtung ein. Wiederholen Sie den oben beschriebenen langsamen Drehen und schnellen Scan. Durch Reflexionen der Linsen in beiden Kollimatoren ist es möglich, mehrere lokale Maxima zu beobachten, während die Kollimatoren ausgerichtet werden. Die tatsächliche maximale Leistung ist viel größer (150 mW) im Vergleich zur lokalen Maxima (70 bis 80 mW).
  6. Montieren Sie den Isolator 3 cm von . Passen Sie die Richtung der Kollimatoren erneut an, um die Freien-Raum-Komponenten auszurichten und die Ausgangsleistung zu maximieren. Das Vorhandensein des Isolators kann die Strahlausrichtung leicht ablenken, aber die maximale Ausgangsleistung wird durch Feineinstellungen an den Kollimatoren wiederhergestellt.
  7. Montieren Sie den Birefringent-Filter , eine Halbwellenplatte und zwei Viertelwellenplatten ( und ) an den entsprechenden Positionen, die in Abbildung 1dargestellt sind. Der birefringent-Filter wird zwischen zwei Polarisatoren eingeklemmt - eins vor () und einer nach (innerhalb der ) -, um einen sinusförmigen Bandpass-Filtereffekt zu erzeugen. Um den Wellenlängenbereich zu steuern, muss es einen kleinen Einfallswinkel von 3°-5°für den geben. Optimieren Sie die Ausrichtung der Kollimatoren erneut, bis die Ausgangsleistung einen Maximalwert erreicht.

5. Aufbau von Extra-Hohlraum-Komponenten

  1. Spleißen Sie alle drei Anschlüsse des Splitters (Abbildung 1) mit Glasfaseranschlüssen (FC) oder SubMiniatur-Version A (SMA) Anschlüssen. Die Steckverbindertypen hängen von den Eingangsanschlüssen der Photodiode und des optischen Spektrumanalysators (OSA) ab. Spleißschritte sind identisch mit den in Abschnitt 1 beschriebenen Schritten.
  2. Schließen Sie einen Ausgang des Splitters über FC-Anschlüsse an den Photodioden-Eingangsanschluss des OSA und den anderen Ausgang an die Photodiode an.
  3. Schließen Sie den Photodioden-Ausgangsanschluss mit einem Bayonet Neill-Concelman (BNC)-Kabel an das Oszilloskop (OSC) an.
  4. Verbinden Sie den Kollimator mit dem Eingangsanschluss des Splitters.
    HINWEIS: Die Verwendung des Steckers zum Verbinden des Splitters und ist der Einfachheit halber. Diese Verbindung kann auf Wunsch durch einen Spleiß ersetzt werden.
  5. Entfernen Sie den Leistungsmessersensor.
  6. Montieren Sie den kleinen Spiegel und das erste Kompressorgitter auf dem optischen Tisch. Um eine maximale Effizienz der Kompressorgitter zu erreichen, verwenden Sie den Leistungsmesser, um die Leistung des Maximums erster Ordnung zu überwachen, während Sie den Einfallswinkel durch Drehen des Gitters einstellen.
    HINWEIS: Eine Rotationsstufe kann verwendet werden, um die Drehung präzise zu steuern. Da der Verlust durch den Einfallswinkelversatz gering ist, wird die Rotationsstufe hier nicht verwendet, um die Kosten zu senken.
  7. Montieren Sie die Translationsbühne auf dem Tisch. Montieren Sie das zweite Kompressorgitter auf der Translationsstufe. Der Abstand zwischen den Gittern sollte für eine optimale Kompression bei Feinjustierung mit der Translationsstufe ca. 2 cm betragen. Stellen Sie sicher, dass die Gitter parallel sind.
  8. Montieren Sie den Kompressorspiegel auf dem optischen Tisch. Dieser Spiegel sollte vertikal und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Translationsstufe sein.
  9. Montieren Sie den Rest der Spiegel, den Balkensplitter und den Kollimator . Die Ausrichtung wird später angepasst.
  10. Schalten Sie den Pumpenlaser ein. Stellen Sie den Pumpenstand auf weniger als 0,5 W ein.
  11. Verwenden Sie einen IR-Bereich, um die Spleiße zu überprüfen. Fügen Sie Index-Matching-Gel zu allen hellen Flecken hinzu.
    HINWEIS: Schritt 5.11 sollte regelmäßig während der normalen Verwendung des Lasers durchgeführt werden.
  12. Richten Sie den Kompressor aus.
    1. Verwenden Sie eine IR-Karte, um den Strahl zu lokalisieren, die Position von und die Kompressionsgitter so einzustellen, dass der Ausgangsstrahl die Impulskompressionsteile in der folgenden Reihenfolge durchquert: , , , , , , .
    2. Tilt leicht nach oben, um den reflektierten Strahl zu erhöhen, so dass es über dem Puls-Picker-Spiegel passieren.
      HINWEIS: kann durch einen Retroreflektor ersetzt werden, sodass der Pickoff-Spiegel nicht abgewinkelt werden muss. Das heißt, der reflektierte Strahl wird parallel zum Ereignisstrahl sein, aber verschoben, mit einem retroreflektierenden Spiegel, um die Einrichtung zu vereinfachen.
  13. Richten Sie den Kollimator mit einem Ausgangsstrahl des Strahlteilers aus.
    1. Schalten Sie die OSA ein und stellen Sie das Gerät auf den Power Meter-Modus ein.
    2. Passen Sie den Winkel des Spiegels und des Kollimators an, um die Leistungsaufnahme zu maximieren. Der Stromverbrauch sollte über -10 dBm liegen.

6. Erreichen der modusgesperrten Leistung mit Charakterisierung des Laserpulsausgangs

  1. Schalten Sie das OSC ein und stellen Sie das Gerät in den AC-Kopplungsmodus ein, wobei der Triggerpegel auf 30 mV eingestellt ist.
  2. Verschieben Sie die OSA-Photodioden-Eingangsfaser in den monochromatischen Eingang. Stellen Sie das Gerät auf den OSA-Modus ein.
  3. Sperren Sie die Phase des Lasers, indem Sie die Wellenplatten15einstellen.
    1. Drehen mehrere Grad hin und her. Das Modus-Sperrspektrum besteht in etwa aus zwei stabilen Spitzen mit einem Plateau dazwischen (d.h. einer sogenannten Katzenohr- oder Batman-Form). Inzwischen kann auf dem OSC ein stabiler Pulszug beobachtet werden.
    2. Wenn das Modussperrspektrum nicht beobachtet wird, drehen Sie mehrere Grad in eine Richtung, und wiederholen Sie Schritt 6.3.1.
    3. Wenn das Modussperrspektrum nicht durch Wiederholen von 6.3.2 beobachtet werden kann, drehen Sie mehrere Grad und wiederholen Sie Schritt 6.3.2.
      HINWEIS: Es gibt mehrere charakteristische Modi der Laserbedienung, die sich durch die Beobachtung der OSA unterscheiden können: 1. Ein oder zwei schmale (1 nm) Spitzen. Dabei handelt es sich um verstärkte spontane Emissionen (ASE). 2. Eine breite (ca. 50 nm) laute Spitze mit gebrochenen Linien, die zufällig erscheinen. Dies ist ein partielles Modus-Lock-Spektrum (PML). In diesem geräuschähnlichen Pulsmodus variieren Intensität und Dauer jedes Impulses, was zu einer schlechten Bildqualität führt, es sei denn, man integriert die Pulsschwankungen über längere Pixel-Verweilzeiten. 17 3. Eine ASE-Spitze mit einem sehr lauten Hintergrund, der aus vielen Spitzen mit niedriger Amplitude besteht. Dies ist ein nicht modusgesperrter Q-Switching-Modus. In diesem Modus kann die Modussperrung oft durch Drehen von über einen kleinen Winkel erreicht werden. 4. Das Batman-förmige Modus-Sperrspektrum. Die "Ohr" haben in der Regel unterschiedliche Amplituden mit einem flachen Spektrum zwischen den scharfen Kantenmerkmalen. Davoudzadeh et al. liefern detaillierte Messungen und anschauliche Ergebnisse für jede dieser Betriebsarten17.
  4. Erfassen und analysieren Sie das Radiofrequenzspektrum (RF).
    1. Trennen Sie das BNC-Kabel vom OSC, und schließen Sie es an den HF-Spektrumanalysator an.
      HINWEIS: Die Verwendung eines BNC-Teeadapters wird nicht empfohlen, da der Boden eine geschlossene Schleife bildet, die ein Echo innerhalb der Schaltung auslöst. Der HF-Spektrumanalysator wird in Abbildung 1nicht dargestellt, da er bei Verwendung die gleiche Position wie das OSC einnimmt.
    2. Befolgen Sie die Bedienungsanleitung für den HF-Spektrumanalysator, um die primäre Spektrumspitze zu lokalisieren. Die ungefähre erwartete Frequenz kann anhand der Zeit zwischen zwei Impulsen mit dem OSC berechnet werden.
    3. Passen Sie die Wellenplatten und den Birefringent-Filter vorsichtig an, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren, d. h. die Höhe der primärer Spitze relativ zum Hintergrund.
      HINWEIS: Das modussichernde HF-Spektrum sollte eine einzelne Spitze ohne Seitenlappen sein. Für die beste Bildqualität sollte der SNR mindestens 70 dB erreichen. Das Spektrum auf der OSA sollte sorgfältig überwacht werden, um die Batman-Spektralform zu verfolgen, um sicherzustellen, dass der Laser modusgesperrt bleibt.
  5. Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers, um den Autokorrelator auszurichten und zu betreiben, um die Pulsdauer zu messen. Der zweite Ausgang des Extra-Hohlraum-Strahlteilers kann verwendet werden. Sobald die Pulsdauer gemessen werden kann, passen Sie sorgfältig die Translationsstufe an, auf der montiert ist, um den Abstand zwischen den beiden Gittern anzupassen, um die Dauer des Impulses zu optimieren.
    ANMERKUNG: Um die Ausrichtung zu erleichtern, ist es am besten, Spiegel und getrennt von den beiden Gittern und der Translationsstufe, in die sie montiert sind, zu montieren. Beachten Sie auch, dass Pikosekundenimpulse als breiter Sockel zusammen mit einer zentralen fs-Pulsspitzenfunktion während des teilweise modusgesperrten Betriebs17beobachtet werden.
  6. Erhöhen Sie schrittweise die Pumpenleistung über 0,5 W, um die maximale Pumpenleistung zu finden. Es wurden Leistungen bis zu 5W getestet. Verwenden Sie den IR-Bereich, um die aktive Faser <4> ständig zu beobachten. Wenn ein heller Fleck erscheint, ist die Pumpenleistung innerhalb des Hohlraums zu hoch, und es ist wahrscheinlich, dass die aktive Faser auf diesem Pumpenniveau verbrannt wird.
    HINWEIS: Die maximale Leistung des Systems hängt von der Länge der aktiven Faser und der Ausrichtung der In-Cavity-Freiraumkomponenten ab. Die hier beschriebenen Protokolle erreichen Ausgangsleistungen bis zu 1 W ohne das Auftreten von hellen Flecken oder Verbrennungen in der Kavität, und diese Leistung ist für die meisten Bildgebungsanwendungen mehr als ausreichend. Höhere Ausgangsleistungen wurden nicht getestet, können aber möglich sein, obwohl Multipulsing wahrscheinlich16,17,18resultiert.

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Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Es ist wichtig, den modusgesperrten Betrieb nach Abschluss der Faserlaser-Fertigungsverfahren zu überprüfen. Die Signaturen der optimalen fs-Pulserzeugung und Laserstabilität sind wie folgt: Zunächst kann der Ausgangsimpuls durch die in Schritt 6 skizzierte Instrumentierung ausreichend charakterisiert sein. Der Pulsspektrumausgang des Laseroszillators sollte in der Nähe von 1.070 nm mit der charakteristischen Katzenohr- oder Batman-Form zentriert werden, die die Modussperrung anzeigt, wie...

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Diskussion

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Die hier skizzierten Protokolle synthetisieren Know-how und Know-how, das im Laserphysiklabor seit Jahrzehnten gängige Praxis ist, aber vielen biomedizinischen Forschern oft unbekannt ist. Diese Arbeit versucht, diese ultraschnelle Faserlasertechnologie für die breitere Community zugänglicher zu machen. Das ANDi Faserlaser-Design hat sich etabliert, wie es zuerst in wegweisenden Arbeiten von Wise und Kollegen3entwickelt wurde. Die Implementierung dieser Technologie durch andere Gruppen hat jedoch ...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Danksagungen

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Wir danken Drs. E. Cronin-Furman und M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) für die Unterstützung beim Erstellen von Bildern. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health Grant K22CA181611 (zu B.Q.S.) und der Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) unterstützt. Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (nach B.Q.S.).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Adapter, Spiegel, Pfosten, Halterungen und Translationstisch (Optomechanik)ThorlabsTR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)Optische Standardkomponenten
Fortschrittliches Lichtwellenleiter-CleaverAFLCT-100
AutokorrelatorFemtochromFR-103XL/IR/FA/CDA
StrahlteilerhalterungThorlabsBSH1/M
Factory Fusion SplicerAFLFSM-100P
FaserkollimatorenOZ Optics (Kanada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
Fasergekoppelter Hochgeschwindigkeits-FotodiodendetektorThorlabsDET08CFC
FreiraumisolatorThorlabsIO-5-1050-HP
Freiraum-IsolatorThorlabsIO-3D-1050-VLP
HalbwellenplatteUnion Optics (China)WPZ23122x
Hochleistungs-Multimode-FaserpumpenmodulGauss Lasers (China)Pump-MM-976-10
Hochleistungspumpe und SignalkombinatorITF Technology (Kanada)MMC02112DF1
Index passendes GelThorlabsG608N3
Optischer SpektrumanalysatorKeysightAgilent 70951B
OszilloskopKeysightAgilent 54845A
Passive doppelt ummantelte Faser (5/130 μ m)ITF-Technologie (Kanada)MMC02112DF13m, im Lieferumfang enthalten: Combiner
PolarisationsstrahlteilerThorlabsPBS253
ViertelwellenplattenUnion Optics (China)WPZ43122x
Quarz mit doppelbrechender FilterplatteNewlight (Kanada)BIR1060
HF-SpektrumanalysatorTektronixRSA306B
Singlemode-Faser (6/125 μ m)OZ Optics (Kanada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, im Lieferumfang enthalten mit Kollimatoren
Singlemode-FaserkopplerAFW (Australien)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
Transmissionsbeugungsgitter 1LightSmythT-1000-1040-3212-94Für Kompressor
Transmissionsbeugungsgitter 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94Für Kompressor
Waveplate RotationshalterungThorlabsRSP1/M4x
Ytterbium-dotierte Singlemode doppelt ummantelte FaserThorlabsYB1200-6/125DC3m

Referenzen

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  1. Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124(2010).
  2. Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875(2013).
  3. Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
  4. Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
  5. Krolopp, Á, et al. Handheld nonlinear microscope system comprising a 2 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber laser for in vivo biomedical imaging. Biomedical Optics Express. 7, 3531-3542 (2016).
  6. Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
  7. Szczepanek, J., Kardaś, T. M., Michalska, M., Radzewicz, C., Stepanenko, Y. Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear loop mirror. Optics Letters. 40, 3500-3503 (2015).
  8. Bowen, P., Singh, H., Runge, A., Provo, R., Broderick, N. G. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser at 1060 nm. Optics Communications. 364, 181-184 (2016).
  9. Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
  10. Kieu, K., Renninger, W., Chong, A., Wise, F. Sub-100 fs pulses at watt-level powers from a dissipative-soliton fiber laser. Optics Letters. 34, 593-595 (2009).
  11. Wise, F. W. Femtosecond Fiber Lasers Based on Dissipative Processes for Nonlinear Microscopy. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 18, 1412-1421 (2012).
  12. Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474(2007).
  13. Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
  14. Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
  15. Li, X., et al. High-power ultrafast Yb:fiber laser frequency combs using commercially available components and basic fiber tools. Review of Scientific Instruments. 87, 093114(2016).
  16. Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
  17. Davoudzadeh, N., Ducourthial, G., Spring, B. Q. Custom fabrication and mode-locked operation of a femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy. Scientific Reports. 9, 4233(2019).
  18. Renninger, W., Chong, A., Wise, F. W. Area theorem and energy quantization for dissipative optical solitons. Journal of the Optical Society of America. 27, 1978-1982 (2010).

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