Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie
22. November 2019
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.
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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Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methode zur Konstruktion eines kostengünstigen, modengekoppelten Femtosekunden-Faserlasers vorgestellt, der potenzielle Anwendungen in der Multiphotonen-Mikroskopie, Endoskopie und Photomedizin hat. Der Laser wird aus handelsüblichen Komponenten und mit grundlegenden Spleißtechniken aufgebaut, was ihn zu einer zugänglichen Option für Forscher macht.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Optik
- Biomedizinische Technik
Hintergrund
- Femtosekunden-Pulslaser sind unverzichtbare Werkzeuge in der Multiphotonenmikroskopie.
- Sie bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen Festkörperlaser-Systemen mit ultrakurzen Pulsen, darunter Kosteneffizienz und Kompaktheit.
- Faseroptische Laser erübrigen die Notwendigkeit einer Wasserkühlung und verringern so die Systemgröße.
- Diese Laser sind aufgrund des fehlenden Justieraufwands robust gegenüber Vibrationen.
Zweck der Studie
- Eine kostengünstige Alternative zu kommerziellen Ultrakurzpulslasern bereitstellen.
- Die Verwendung von Femtosekundenlasern in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen erleichtern.
- Die Machbarkeit des Aufbaus eines Lasers aus leicht verfügbaren Komponenten demonstrieren.
Verwendete Methoden
- Aufbau eines Femtosekunden-Fasers Lasers mit vollständig normaler Dispersion.
- Verwendung kommerziell erhältlicher Komponenten für den Aufbau.
- Anwendung grundlegender Spleißtechniken.
- Beurteilung der Leistung des Lasers in der Multiphotonen-Mikroskopie.
Hauptergebnisse
- Der konstruierte Laser ist kompakt und robust.
- Er reduziert die Kosten im Vergleich zu kommerziellen Alternativen erheblich.
- Das Design des Systems ermöglicht eine einfache Integration in bestehende Aufbauten.
- Leistungstests deuten auf eine Eignung für Anwendungen in der Multiphotonenmikroskopie hin.
Schlussfolgerungen
- Diese Methode bietet eine gangbare Option für Forscher, die Femtosekundenlaser benötigen.
- Das kostengünstige Design fördert einen breiteren Zugang zu fortschrittlichen Bildgebungsverfahren.
- Zukünftige Arbeiten könnten weitere Verbesserungen und Anwendungen in der Photomedizin untersuchen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Dieses Protokoll ermöglicht es Forschungs- und Entwicklungsteams in der Biopharma-Branche, kompakte und kostengünstige Femtosekunden-Lasersysteme für Anwendungen in der Multiphotonenmikroskopie zu entwickeln und senkt so die finanziellen Hürden für den Zugang zu fortschrittlichen Bildgebungsverfahren. Durch die Nutzung handelsüblicher Faseroptik-Komponenten und standardmäßiger Spleißtechniken unterstützt der Ansatz eine schnelle Prototypenerstellung und Implementierung in präklinische Bildgebungsabläufe. Die Robustheit und Portabilität des Systems erleichtern translationsmedizinische Forschung und eine mögliche Integration in Point-of-Care- oder intraoperative Bildgebungssysteme.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die hochauflösende Abbildung zellulärer und subzellulärer Strukturen zur Validierung der Zielinteraktion und der Modulation von Signalwegen in Krankheitsmodellen.
- Operativer Wert: Bietet reproduzierbare Pulscharakteristika, die für die quantitative Zwei-Photonen-Anregung und konsistente Fluoreszenzsignale unerlässlich sind.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützt markierungsfreie und fluoreszente Bildgebungsassays, die eine präzise zeitliche Fokussierung für die tiefenauflösende Analyse von Gewebeproben erfordern.
- Operativer Wert: Liefert stabile 70 fs-Impulse mit einer Wiederholrate von 31 MHz und gewährleistet somit eine konsistente Anregungseffizienz über Hochdurchsatz-Screening-Platten hinweg.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Bildgebung von frischen Gewebeproben und intravitale Modelle mit minimalem Photodamage aufgrund geringer durchschnittlicher Leistungsanforderungen.
- Operativer Wert: Das vollständig faserbasierte Design erlaubt die Integration in handgehaltene oder endoskopische Sonden für minimalinvasive präklinische Bildgebung.
Pipeline- und Workflow-Integration
Das Lasersystem fügt sich nahtlos in die Entdeckungskette von der Target-Validierung bis zur präklinischen Bildgebung ein, wobei eine zuverlässige Impulsabgabe für mechanistische Messungen und die Detektion von Biomarkern entscheidend ist.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung durch Multiphotonen-Bildgebung der Proteinlokalisation, des Kalziumflusses und der metabolischen Aktivität in lebenden Zellen.
- Screening: Ermöglicht die Bereitschaft von Assays durch konsistente Pulsenergie und spektrale Stabilität und verringert so die Variabilität fluoreszenzbasierter Messungen.
- Analytik: Liefert quantitative Ergebnisse wie Pulsbreite, Spektrum und Leistungsstabilität, um Laserparameter mit biologischen Reaktionen zu korrelieren.
- Translationale Forschung: Schafft Anschluss an die präklinische Forschung, indem sie die Bildgebung von Geweben ex vivo und von Kleintiermodellen mit subzellulärer Auflösung ermöglicht.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Die modulare, vollständig faserbasierte Architektur erlaubt die Wiederverwendung auf mehreren Bildgebungsplattformen und die Anpassung an verschiedene Wellenlängenbereiche über Faseroptik-Komponenten.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagbare Zuverlässigkeit von Bildgebungsdaten durch nachgewiesenen modengekoppelten Betrieb und quadratische Leistungsabhängigkeit von Zwei-Photonen-Signalen.
- Operativer Wert: Standardisierung mittels kommerziell verfügbarer Komponenten und dokumentierter Spleißverfahren verringert die Variabilität des Aufbaus zwischen Laboren.
- Strategischer Wert: Verringert biologische Risiken in fortgeschrittenen Entwicklungsstadien, indem frühzeitige Validierung von Arzneimittelwirkungen in intakten Gewebesystemen unter Verwendung klinisch relevanter Bildgebungstechniken ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem mechanistische Bildgebungsdaten bereitgestellt werden, die Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch in der Leitstruktur-Optimierung informieren.
Durchführungsüberlegungen
- Es sind Fachkenntnisse in der faseroptischen Spleißtechnik und in Lasersicherheitsprotokollen für Aufbau und Betrieb erforderlich.
- Zu den erforderlichen Messgeräten gehören optische Spektrumanalysatoren, Autokorrelatoren und HF-Spektrumanalysatoren zur Pulskennzeichnung.
- Die Standardisierung über Teamgrenzen hinweg erfordert Schulungen zu Techniken zur Überprüfung des Modenverriegelungszustands, um echte vom rauschähnlichen Betrieb zu unterscheiden.
- Zu den Anpassungsüberlegungen gehört der Ersatz von Freiraum-Komponenten durch fasergeführte Versionen, um die Robustheit für klinische oder industrielle Umgebungen zu erhöhen.
- Zu den praktischen Einschränkungen zählt die sorgfältige Handhabung von Glasfasersplittern und die empfindliche Justage während des ersten Resonatoraufbaus.
