Name: Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-11-22T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Erfahren Sie den Aufbau eines kostengünstigen Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie. Diese Methode nutzt handelsübliche Komponenten und ermöglicht robuste, vibrationsunempfindliche Bildgebung.

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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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Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

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 ...

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.

<table><tbody><tr><td>Adapter, Spiegel, Pfosten, Halterungen und Translationstisch (Optomechanik)</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>Optische Standardkomponenten</td></tr><tr><td>Fortschrittliches Lichtwellenleiter-Cleaver</td><td>AFL</td><td>CT-100</td><td></td></tr><tr><td>Autokorrelator</td><td>Femtochrom</td><td>FR-103XL/IR/FA/CDA</td><td></td></tr><tr><td>Strahlteilerhalterung</td><td>Thorlabs</td><td>BSH1/M</td><td></td></tr><tr><td>Factory Fusion Splicer</td><td>AFL</td><td>FSM-100P</td><td></td></tr><tr><td>Faserkollimatoren</td><td>OZ Optics (Kanada)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>3x</td></tr><tr><td>Fasergekoppelter Hochgeschwindigkeits-Fotodiodendetektor</td><td>Thorlabs</td><td>DET08CFC</td><td></td></tr><tr><td>Freiraumisolator</td><td>Thorlabs</td><td>IO-5-1050-HP</td><td></td></tr><tr><td>Freiraum-Isolator</td><td>Thorlabs</td><td>IO-3D-1050-VLP</td><td></td></tr><tr><td>Halbwellenplatte</td><td>Union Optics (China</td><td>)WPZ2312</td><td>2x</td></tr><tr><td>Hochleistungs-Multimode-Faserpumpenmodul</td><td>Gauss Lasers (China)</td><td>Pump-MM-976-10</td><td></td></tr><tr><td>Hochleistungspumpe und Signalkombinator</td><td>ITF Technology (Kanada)</td><td>MMC02112DF1</td><td></td></tr><tr><td>Index passendes Gel</td><td>Thorlabs</td><td>G608N3</td><td></td></tr><tr><td>Optischer Spektrumanalysator</td><td>Keysight</td><td>Agilent 70951B</td><td></td></tr><tr><td>Oszilloskop</td><td>Keysight</td><td>Agilent 54845A</td><td></td></tr><tr><td>Passive doppelt ummantelte Faser (5/130 &mu; m)</td><td>ITF-Technologie (Kanada)MMC02112DF1</td><td></td> <td>3m, im Lieferumfang enthalten: Combiner</td></tr><tr><td>Polarisationsstrahlteiler</td><td>Thorlabs</td><td>PBS253</td><td></td></tr><tr><td>Viertelwellenplatten</td><td>Union Optics (China)</td><td>WPZ4312</td><td>2x</td></tr><tr><td>Quarz mit doppelbrechender Filterplatte</td><td>Newlight (Kanada)</td><td>BIR1060</td><td></td></tr><tr><td>HF-Spektrumanalysator</td><td>Tektronix</td><td>RSA306B</td><td></td></tr><tr><td>Singlemode-Faser (6/125 &mu; m)</td><td>OZ Optics (Kanada)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>1m, im Lieferumfang enthalten mit Kollimatoren</td></tr><tr><td>Singlemode-Faserkoppler</td><td>AFW (Australien)</td><td>FOSC-2-64-30-L-1-H64-2</td><td></td></tr><tr><td>Transmissionsbeugungsgitter 1</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-3212-94</td><td>Für Kompressor</td></tr><tr><td>Transmissionsbeugungsgitter 2</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-60x12.3-94</td><td>Für Kompressor</td></tr><tr><td>Waveplate Rotationshalterung</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td>4x</td></tr><tr><td>Ytterbium-dotierte Singlemode doppelt ummantelte Faser</td><td>Thorlabs</td><td>YB1200-6/125DC</td><td>3m</td></tr></tbody></table>

kostengünstige kundenspezifische fertigung und modus-gesperrter betrieb eines femtosekunden-faserlasers mit all-normal-dispersion für die multiphotonenmikroskopie

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

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.

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...

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.

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

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

Femtosekunden-Pulslaser haben breite Anwendungen in der Multiphotonen-Miscroskopie. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um einen femtosekunden-All-Normal-Dispersionsfaserlaser herzustellen, der kompakt, robust und kostengünstig ist. Im Vergleich zu kommerziellen Solid-State-Ultraschnelllasern kostet der in dieser Technik produzierte Laser viel weniger, da er nur aus handelsüblichen Teilen besteht.Auch Faserlaser benötigen keine Wasserkühlung, so dass die Größe des Systems kleiner ist. Nicht zuletzt erfordern die Faserkomponenten keine Ausrichtung, was das System vibrationsfest macht. Im Gegensatz zu handelsüblichen Systemen verfügt dieser Laser nicht über eine Abdeckung, um unerwünschte Strahlen zu blockieren.Für die Montage und bedienung des Lasers wird erfahrenes Personal benötigt. Einige Experimente scheinen nicht reproduzierbar zu sein, da es sehr wahrscheinlich einige ungenannte Details vermisst, wenn sie schriftlichen Anweisungen folgen. In der Video-Demonstration werden die Zuschauer nichts verpassen.Beginnen Sie mit dem Spleißen von Singlemode-Fasern oder SMFs, um die ordnungsgemäße Leistung der Spleißgeräte zu gewährleisten, bevor wertvollere Glasfasermaterialien verwendet werden. Mit einem Faserabisolierwerkzeug ca. 30 Millimeter der Faser abstreifen. Wenn Sie mit zerbrechlichen Fasern arbeiten, kann eine Rasierklinge verwendet werden, um den Puffer vorsichtig abzuschälen.Verwenden Sie ein fusselfreies Gewebe mit Ethanol oder Isopropanol, um die abgestreifte Faser zu reinigen. Ein brummender Ton beim Wischen zeigt an, dass die Faser ausreichend sauber ist. Legen Sie dann den Faserhalter auf den Faserspalter und stellen Sie sicher, dass die Klinge, die Faserklemme des Cleavers und der Faserhalter alle sauber sind.Laden Sie die Faser vorsichtig in den Faserhalter und lassen Sie ca. 25 Millimeter abgestreifte saubere Faser am freien Ende des Cleavers zum Klemmen zurück. Schließen Sie die Faserklemme vorsichtig am Cleaver. Um eine überbordende Spannung an der Faser zu vermeiden, öffnen und schließen Sie die Klemme.Drücken Sie die Cut-Taste und der Cleaver schneidet die Faser automatisch. Verwenden Sie Pinzette mit kunststoffabgerundeten Spitzen, um das aus der Faser ausgeschnittene Stück in einen scharfen Entsorgungsbehälter zu bewegen und den Faserhalter auf den Fusionsspleißer zu übertragen. Wiederholen Sie den Vorgang, um die zweite Faser zu spalten.Die beiden Fasern, die zusammengespleißt werden sollen, sollten durch die Faserhalter innerhalb des Faserspleißers gegeneinander gesponnene Enden haben. Schließen Sie die Abdeckung des Spleißers, und legen Sie Parameter wie Kerndurchmesser, Modusfelddurchmesser und Verkleidungsdurchmesser fest. Legen Sie die Ausrichtungsmethode auf Cladding fest, drücken Sie die Set-Taste, und der Spleißer wird automatisch ausgerichtet.Drücken Sie an jedem Stopp die Set-Taste, um die Qualität der Ausrichtung zu bestätigen. Der Spleiß wird automatisch durchgeführt. Überprüfen Sie die Qualität des Spleißes mit den Qualitätskontrollen des Spleißers sowie der Kameraansicht der Region.Ein guter Spleiß hat eine gleichmäßige Verkleidungsgrenze und gleichmäßige Helligkeit entlang der Faser, so dass keine Spleiß-Kreuzung sichtbar ist. Öffnen Sie dann die Spleißdeckel und einen der Faserhalter. Optional kann eine Faserhülse hinzugefügt werden, um den Spleiß zu schützen, und die Heizung des Spleißers kann verwendet werden, um die Hülse auf die Faser zu formen.Spleißen Sie die Combiner-Ausgabe an die ytterbium-dotierte aktive Faser. Befolgen Sie das zuvor beschriebene Verfahren, um die Combiner-Ausgangsfaser zu spalten. Aufgrund der Form der Verkleidung sollte die aktive Faser zunächst mit einem Stück Singlemode-Faser geklemmt und gespleißt werden, das später entfernt wird.Schneiden Sie die Single-Mode-Faser etwa zwei Zentimeter vom Spleißpunkt mit einem Drahtschneider ab. Dann streifen Sie die gesamte Länge der Single-Mode-Faser und 0,5 Zentimeter der aktiven Faser, die die aktive Faser mit zwei Zentimetern pufferloser Singlemode-Faser verkapseln lässt. Laden Sie die aktive Faser in den Cleaver und stellen Sie sicher, dass nur die Singlemode-Faser von der Faserklemme geklemmt wird.Von diesem Punkt an folgen Sie dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Cverleaving und Spleißen der Faser. Sicherheit hat oberste Priorität. Denken Sie daran, jedes Stück Faserfragment in die scharfe Objektbox zu legen.Außerdem sollten Laserschutzbrillen bei Betrieb der Pumpe warnen. Schalten Sie das Oszilloskop ein und stellen Sie das Gerät auf AC-Kopplungsmodus ein, wobei der Triggerpegel auf 30 Millivolt eingestellt ist. Verschieben Sie die photodiode-Eingangsfaser des optischen Spektrumanalysators auf monochromatische Eingaben und stellen Sie das Gerät auf den OSA-Modus ein.Verriegeln Sie dann die Phase des Lasers, indem Sie die Wellenplatten einstellen. Drehen Sie Quarter-Wave Plate 2 mehrere Grad hin und her. Das Modus-Sperrspektrum besteht aus zwei stabilen Spitzen mit einem Plateau zwischen ihnen.Beobachten Sie in der Zwischenzeit einen stabilen Pulszug auf dem Oszilloskop. Wenn das Modussperrspektrum nicht beobachtet wird, drehen Sie die Quarter-Wave-Platte 1 mehrere Grad in eine Richtung, und wiederholen Sie den vorherigen Schritt. Wenn das Spektrum immer noch nicht beobachtet wird, drehen Sie den Birefringent-Filter um mehrere Grad und wiederholen Sie den Vorgang.Der modusgesperrte Betrieb wurde nach Abschluss der Faserlaserfertigung überprüft. Die Pulsspektrumausgabe des Laseroszillators wurde in der Nähe von 1070 Nanometern mit der charakteristischen Katzenohrform zentriert, die die Modusverriegelung anzeigt, wie sie durch numerische Simulation vorhergesagt wird. Als weitere Diagnose für die Modusverriegelung wurden die Pulsdauer und die Pulswiederholungsleistungsspektren mit dem Autokorrelator bzw. dem Hochfrequenzspektrumanalysator gemessen.Es wurden Pulsdauern von 70 Femtosekunden gemessen. Die Pulsstabilität wurde durch kontinuierliche Überwachung der durchschnittlichen Ausgangsleistung und des Pulsspektrums getestet. Wenn das Laser-Setup auf einem schwimmenden optischen Tisch mit Vibrationsdämpfung montiert wurde, betrug die Leistungsdrift weniger als 3,5% über 24 Stunden ohne aktive Kühlung.Nach der Überprüfung der Modussperre wurde die Bildgebungsleistung mit einfachen Testzielen und biologischen Proben getestet. Die Fluoreszenz wurde bei der Einstellung der Pulsleistung gemessen, die überprüfte, ob das Signal quadratisch von der Laserleistung abhängig war, die an die Probenebene geliefert wurde. Gefärbte und ungefärbte biologische Proben wurden mit dem kundenspezifischen Faserlaser abgebildet.Als zusätzliche Überprüfung der Zwei-Photonen-Erregung wurden gesammelte hyperspektrale Bilder von mehrfarbigen fluoreszierenden Mikrosphären mit Bildern verglichen, die durch lineare Anregung mit kommerziellen Diodenlasern aufgenommen wurden. Schließlich wurden die normalisierten Spektren von grünen und roten Perlen, die vom Diodenlaser im Vergleich zum benutzerdefinierten FS-Faserlaser angeregt wurden, verglichen. Die Freiraumkomponente kann durch entsprechende Faserteile ersetzt werden, die die Robustheit und Beweglichkeit weiter erhöhen können.Das All-Faser-System kann für klinische Szenarien auf einen Warenkorb gelegt werden. Die Freiraumkomponente kann durch entsprechende Faserteile ersetzt werden, die die Robustheit und Beweglichkeit weiter erhöhen können. Das All-Faser-System kann für klinische Szenarien auf einen Warenkorb gelegt werden.Die Auswirkungen dieser Technologie sind eine offene Frage. Wir gehen davon aus, dass forscher dadurch neuen Zugang zur Femtosekundenlasertechnologie erhalten und sie in die Lage versetzen werden, neue Veröffentlichungen zu entwickeln.

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Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung

Hier präsentieren wir Ihnen eine praktische Anleitung für eine integrierte Mikroskopie Bausystem, das konventionelle Epi-fluoreszierende Bildgebung, Einzelmolekül-Erkennung-basierte Höchstauflösung Bildgebung und Multi-Color Einzelmolekül-Erkennung übergeht, einschließlich Einzelmolekül-Fluoreszenz Resonanz Energietransfer imaging, in einer Aufspannung auf kostengünstige Weise.

Durchführung von mehreren Imaging-Modi mit einem Fluoreszenzmikroskop

Dieses Protokoll beschreibt den Aufbau eines kostengünstigen, diskreten, fasergekoppelten und luftberaumten Fabry-Perot-Etalons mit verschiedenen Anwendungen, wie z.B. in der Spurengasspektroskopie. Die Herstellung ist in jeder Einrichtung möglich, in der Standard-optische Laborgeräte zur Verfügung stehen.

Herstellung eines kostengünstigen, fasergekoppelten Fabry-Pérot-Etalons mit Luftspalt

Erfahren Sie den Aufbau eines kostengünstigen Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie. Diese Methode nutzt handelsübliche Komponenten und ermöglicht robuste, vibrationsunempfindliche Bildgebung.

Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie (Video) | JoVE Journal

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

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