Multifoton Mikroskopisi için Tüm Normal Dağılımlı Femtosecond Fiber Lazerin Düşük Maliyetli Özel İmalat ve Mode-kilitli Çalışması
Summary
Multifoton mikroskopi, endoskopi ve fototıp potansiyel uygulamalar için özel bir düşük maliyetli, mod kilitli femtosaniye fiber lazer oluşturmak için bir yöntem sunulmaktadır. Bu lazer ticari olarak kullanılabilir parçalar ve temel birleştirme teknikleri kullanılarak inşa edilmiştir.
Abstract
Bir protokol özel bir düşük maliyetli henüz yüksek performanslı femtosecond (fs) fiber lazer oluşturmak için sunulmaktadır. Bu tüm normal dağılım (ANDi) ytterbium-doped fiber lazer tamamen 8.000 $ fiber optik ve pompa lazer bileşenleri, artı 4.800 $ standart optik bileşenleri ve ekstra-kavite aksesuarları dahil olmak üzere ticari olarak kullanılabilir parçalar kullanılarak inşa edilmiştir. Araştırmacılar fiber optik cihaz imalatı yeni de temel elyaf yapıştırma ve lazer darbe karakterizasyon ekipmanları (~ 63.000 $) yatırım düşünebilirsiniz. Optimal lazer işlemi için önemli olan, doğru ya da görünen (kısmi veya gürültü benzeri) modu kilitli performansı doğrulamak için yöntemler sunulur. Bu sistem yaklaşık 1.070 nm merkezi dalga boyu ve 31 MHz nabız tekrarlama hızı ile 70 fs darbe süresi elde eder. Bu fiber lazer, kolayca monte edilebilen fiber lazer sistemi için elde edilebilecek en yüksek performansı sergiler, bu da bu tasarımı yeni uygulamalara olanak tanıyan kompakt ve taşınabilir fs lazer teknolojileri geliştirmeyi amaçlayan araştırma laboratuvarları için ideal hale getirir. klinik multifoton mikroskopi ve fs cerrahisi.
Introduction
Solid state femtosecond (fs) darbeli lazerler yaygın mikroskopi ve biyolojik araştırmalar için kullanılır. Tipik bir örnek multifoton uyarma (MPE) floresan mikroskobu kullanımı, yüksek pik güç ve düşük ortalama güç fotohasar mekanizmaları en aza indirirken MPE sürecini kolaylaştırmak için istenir. Birçok yüksek performanslı katı hal lazerler ticari olarak mevcuttur, ve optik parametrik osilatör ile kombine edildiğinde (OPO), lazer dalga boyu geniş bir yelpazede üzerinde ayarlanabilir1. Örneğin, ticari osilatör-OPO sistemleri 680 ile 1.300 nm arasında 1 W ortalama güç üretir. Ancak, bu ticari ayarlanabilir fs lazer sistemlerinin maliyeti önemli (>$200,000) ve katı hal sistemleri genellikle su soğutma gerektirir ve klinik uygulamalar için taşınabilir değildir.
Ultrashort darbeli fiber lazer teknolojisi son birkaç yıl içinde olgunlaştı. Ticari bir fs darbeli fiber lazer maliyeti genellikle önemli ölçüde katı hal lazerler daha düşüktür, yukarıda belirtilen katı hal sistemleri tarafından sağlanan geniş dalga boyu ayarı yeteneği olmasa da. Lif lazerlerinin istendiğinde OPO’larla eşleşebileceğini unutmayın (yani hibrid fiber-katı hal sistemleri). Fiber lazer sistemlerinin büyük yüzey-hacim oranı verimli hava soğutmasağlar 2. Bu nedenle, fiber lazerler nispeten küçük boyutu ve basitleştirilmiş soğutma sistemi nedeniyle katı hal sistemleri daha taşınabilir. Ayrıca, fiber bileşenlerin birleştirilmesi, katı hal aygıtlarını oluşturan optik bileşenlerin serbest alan hizalamasının aksine sistem karmaşıklığını ve mekanik sürüklenmeyi azaltır. Tüm bu özellikler lif lazerleri klinik uygulamalar için ideal kYapar. Aslında, tüm fiber lazerler düşük bakım çalışması için geliştirilmiştir3,4,5, ve tüm polarizasyon-bakım (PM)-fiber lazerler sıcaklık ve nem değişiklikleri yanı sıra mekanik titreşimler 2 dahil olmak üzere çevresel faktörlere istikrarlı2,6,7,8.
Burada, bir yöntem ticari olarak kullanılabilir parçaları ve standart fiber birleştirme teknikleri ile bir maliyet-etkin fS darbeli ANDi fiber lazer oluşturmak için sunulmaktadır. Nabız tekrarlama hızını, süresini ve tutarlılığını (tam mod kilidi) karakterize etme yöntemleri de sunulmaktadır. Ortaya çıkan fiber lazer 31 MHz tekrarlama oranı ve 1.060 ila 1.070 nm merkezli bir dalga boyu ile 70 fs sıkıştırılabilir mod kilitli darbeler üretir. Lazer boşluğundan maksimum güç çıkışı yaklaşık 1 W’dır. ANDi fiber lazerlerin darbe fiziği, doygunemici2,3,9,10,11’inönemli bir bileşeni olarak optik fibere doğrusal olmayan polarizasyon evrimini zarif bir şekilde kullanır. Ancak, bu ANDi tasarım kolayca PM fiber kullanılarak uygulanmıyor anlamına gelir (ANDi mod kilitleme bir all-PM fiber uygulaması rapor olmasına rağmen, düşük güç ve ps darbe süresi12ile de olsa). Bu nedenle, çevresel istikrar önemli mühendislik gerektirir. Yeni nesil fiber lazer tasarımları, Mamyshev osilatör gibi, tüm PM-fiber cihazlar intracavity darbe enerjisi bir sipariş-of-büyüklük artışı yeteneğine sahip olarak tam çevresel istikrar sunmak için potansiyele sahip yanı sıra geniş darbe spektrumları güveniyor uygulamaları etkinleştirmek için darbe süresi önemli azalmalar sunan13,14. Bu yenilikçi fs fiber lazer tasarımları özel üretim know-how ve lif birleştirme deneyimi gerektirir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada özetlenen protokoller, lazer fiziği laboratuvarında on yıllardır yaygın olarak kullanılan, ancak birçok biyomedikal araştırmacıya sıksık yabancı olan bilgi ve uzmanlığı sentezle. Bu çalışma, bu ultra hızlı fiber lazer teknolojisini daha geniş bir topluluk için daha erişilebilir hale getirmeye çalışır. ANDi fiber lazer tasarımı iyi kurulmuş, ilk Wise ve meslektaşları tarafından seminal çalışmalarda geliştirilen3. Ancak, diğer gruplar tarafından bu tek…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr. E. Cronin-Furman ve M. Weitzman’a (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) görüntü edinmekonusunda yardımcı olan lardan dolayı teşekkür ederiz. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri Hibe K22CA181611 (B.Q.S.) ve Richard ve Susan Smith Aile Vakfı (Newton, M.A.) tarafından desteklendi. Smith Aile Ödülü Biyomedikal Araştırmamükemmellik için (B.Q.S.için).
Materials
| Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics) | Thorlabs | TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x) | Standard optical components |
| Advanced optical fiber cleaver | AFL | CT-100 | |
| Autocorrelator | Femtochrome | FR-103XL/IR/FA/CDA | |
| Beamsplitter mount | Thorlabs | BSH1/M | |
| Factory fusion splicer | AFL | FSM-100P | |
| Fiber collimators | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 3x |
| Fiber-coupled,high-speed photodiode detector | Thorlabs | DET08CFC | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-5-1050-HP | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-3D-1050-VLP | |
| Half waveplate | Union Optics (China) | WPZ2312 | 2x |
| High power multimode fiber pump module | Gauss Lasers (China) | Pump-MM-976-10 | |
| High power pump and signal combiner | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | |
| Index matching gel | Thorlabs | G608N3 | |
| Optical spectrum analyzer | Keysight | Agilent 70951B | |
| Oscilloscope | Keysight | Agilent 54845A | |
| Passive double clad fiber(5/130 μm) | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | 3m, Included with combiner |
| Polarizing beamsplitter | Thorlabs | PBS253 | |
| Quarter waveplates | Union Optics (China) | WPZ4312 | 2x |
| Quartz birefringent filter plate | Newlight (Canada) | BIR1060 | |
| RF spectrum analyzer | Tektronix | RSA306B | |
| Single mode fiber (6/125 μm) | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 1m, Included with collimators |
| Single mode fiber coupler | AFW (Australia) | FOSC-2-64-30-L-1-H64-2 | |
| Transmission diffraction grating 1 | LightSmyth | T-1000-1040-3212-94 | For compressor |
| Transmission diffraction grating 2 | LightSmyth | T-1000-1040-60×12.3-94 | For compressor |
| Waveplate rotation mount | Thorlabs | RSP1/M | 4x |
| Ytterbium-doped single mode double clad fiber | Thorlabs | YB1200-6/125DC | 3m |
Referenzen
- 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. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
- Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
- Krolopp, &. #. 1. 9. 3. ;., 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).
- Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
- 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).
- 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).
- Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
- 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).
- 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).
- Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474 (2007).
- Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
- Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
- 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).
- Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
- 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).
- 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).
