Artículo de método

Fabricación personalizada de bajo costo y operación bloqueada por modo de un láser de fibra Femtosecond de dispersión normal para microscopía multifotón

7.2K vistas

⸱

DOI:

10.3791/60160

⸱

22 de noviembre de 2019

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

En este artículo

Resumen

Se presenta un método para construir un láser de fibra de femtosegundo de bajo costo y bloqueado en modo para aplicaciones potenciales en microscopía multifotona, endoscopia y fotomedicina. Este láser se construye utilizando piezas disponibles comercialmente y técnicas básicas de empalme.

Resumen

Se presenta un protocolo para construir un láser de fibra femtosegundo (fs) personalizado de bajo costo pero de alto rendimiento. Este láser de fibra dopada con ytterbium de dispersión normal (ANDi) se construye completamente utilizando piezas disponibles en el centro comercial, incluyendo $8,000 en componentes láser de fibra óptica y bomba, además de $4,800 en componentes ópticos estándar y accesorios de cavidad extra. Los investigadores nuevos en la fabricación de dispositivos de fibra óptica también pueden considerar invertir en equipos básicos de empalme de fibra y caracterización por pulsos por láser (63.000 dólares). Importante para un funcionamiento óptimo del láser, se presentan métodos para verificar el rendimiento bloqueado del modo verdadero frente a aparente (parcial o similar al ruido). Este sistema alcanza una duración de pulso de 70 fs con una longitud de onda central de aproximadamente 1.070 nm y una velocidad de repetición de pulsos de 31 MHz. Este láser de fibra exhibe el máximo rendimiento que se puede obtener para un sistema láser de fibra fácilmente ensamblado, lo que hace que este diseño sea ideal para laboratorios de investigación con el objetivo de desarrollar tecnologías láser fs compactas y portátiles que permitan nuevas implementaciones de microscopía clínica multifotona y cirugía fs.

Introducción

Los láseres pulsados de femtosegundode segundo (fs) de estado sólido se utilizan ampliamente para la microscopía y la investigación biológica. Un ejemplo típico es el uso de la microscopía de fluorescencia de excitación multifozona (MPE), donde se desea una alta potencia máxima y una baja potencia media para facilitar el proceso de MPE y minimizar los mecanismos de fotodaño. Muchos láseres de estado sólido de alto rendimiento están disponibles comercialmente, y cuando se combina con un oscilador paramétrico óptico (OPO), la longitud de onda láser se puede ajustar en un amplio rango1. Por ejemplo, los sistemas de oscilador comercial-OPO generan duraciones de pulso <120 fs (normalmente con una velocidad de repetición de pulsos de 80 MHz) y una potencia media de >1 W de 680 a 1.300 nm. Sin embargo, el costo de estos sistemas láser fs ajustables comerciales es significativo (>$200.000), y los sistemas de estado sólido generalmente requieren refrigeración por agua y no son portátiles para aplicaciones clínicas.

La tecnología láser de fibra pulsada ultracorta ha madurado en los últimos años. El costo de un láser de fibra pulsada fs comercial es típicamente significativamente menor que los láseres de estado sólido, aunque sin la capacidad de ajuste de longitud de onda amplia que ofrecen los sistemas de estado sólido mencionados anteriormente. Tenga en cuenta que los láseres de fibra se pueden emparejar con OpO cuando se desee (es decir, sistemas híbridos de estado sólido de fibra). La gran relación superficie-volumen de los sistemas láser de fibra permite una refrigeración eficiente del aire2. Por lo tanto, los láseres de fibra son más portátiles que los sistemas de estado sólido debido a su tamaño relativamente pequeño y sistema de refrigeración simplificado. Además, el empalme por fusión de los componentes de fibra reduce la complejidad del sistema y la deriva mecánica en contraste con la alineación del espacio libre de los componentes ópticos que componen los dispositivos de estado sólido. Todas estas características hacen que los láseres de fibra sean ideales para aplicaciones clínicas. De hecho, los láseres de fibra toallo se han desarrollado para la operación de bajo mantenimiento3,4,5, y todo-polarización-mantenimiento (PM) láseres de fibra son estables a factores ambientales incluyendo cambios en la temperatura y la humedad, así como vibraciones mecánicas2,6,7,8.

Aquí, se presenta un método para construir un láser de fibra ANDi pulsada fs rentable con piezas disponibles comercialmente y técnicas de empalme de fibra estándar. También se presentan métodos para caracterizar la velocidad de repetición de pulsos, la duración y la coherencia (bloqueo de modo completo). El láser de fibra resultante genera pulsos con bloqueo de modo que se pueden comprimir a 70 fs con una velocidad de repetición de 31 MHz y una longitud de onda centrada en 1.060 a 1.070 nm. La potencia máxima de salida de la cavidad láser es de aproximadamente 1 W. La física de pulsos de los láseres de fibra ANDi utiliza elegantemente la evolución de la polarización no lineal intrínseca a la fibra óptica como componente clave del absorbedor saturable2,3,9,10,11. Sin embargo, esto significa que el diseño ANDi no se implementa fácilmente utilizando fibra PM (aunque se ha informado de una implementación de fibra de todas las PM de bloqueo de modo ANDi, aunque con baja potencia y duración del pulso ps12). Por lo tanto, la estabilidad ambiental requiere una ingeniería significativa. Los diseños láser de fibra de última generación, como el oscilador Mamyshev, tienen el potencial de ofrecer una estabilidad ambiental completa como dispositivos de fibra de PM capaces de un aumento del orden de magnitud en la energía de pulso sin máquina, así como ofrecer disminuciones significativas en la duración del pulso para permitir aplicaciones que se basan en amplios espectros depulsos 13,14. La fabricación personalizada de estos nuevos e innovadores diseños láser de fibra fs requiere conocimientos y experiencia de empalme de fibra.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

1. Empalme fibras de modo único (SMF)

NOTA: La sección 1 consta de pasos generales para empalmar SMFs. Este es un paso no esencial, pero recomendado, para practicar empalmes de fibra usando fibra barata. Este paso garantiza el rendimiento adecuado del equipo de empalme antes de utilizar materiales de fibra óptica más valiosos.

  1. Cierre la primera fibra.
    1. Tira aproximadamente 30 mm de la fibra con una herramienta de desmontaje de fibra. Para fibras frágiles (por ejemplo, fibras de doble revestido), se puede utilizar una cuchilla de afeitar para pelar cuidadosamente el tampón.
    2. Use tejido libre de pelusas con etanol o isopropanol para limpiar la fibra despojada. Un zumbido al limpiar la fibra indica que la fibra está lo suficientemente limpia.
    3. Coloque el soporte de fibra en la cortadora de fibra. Asegúrese de que la cuchilla, la abrazadera de fibra de la cortadora y el soporte de fibra estén limpios. Los hisopos de algodón con alcohol se pueden utilizar para limpiar estas partes de la cortadora.
    4. Cargue cuidadosamente la fibra en el soporte de fibra. Deje aproximadamente 25 mm de fibra limpia y despojada en el extremo libre para que la cortadora se sujete.
    5. Cierre suavemente la abrazadera de fibra de la cortadora. Para evitar la tensión adicional aplicada a la fibra, vuelva a abrir y cierre la abrazadera para que se libere la tensión.
    6. Pulse el botón "cortar" y la cortadora cortará automáticamente la fibra.
      NOTA: Para asegurarse de que la fibra permanece limpia, nada debe tocar la punta de la fibra después del corte.
    7. Transfiera el soporte de fibra al empalme de fusión. Utilice pinzas para mover la pieza cortada de la fibra a un recipiente de eliminación de objetos punzantes.
      ADVERTENCIA: Las pinzas duras y las puntas de las pinzas afiladas pueden romper la fibra. Una pinza adecuada para el manejo de la fibra óptica debe tener puntas redondeadas de plástico.
  2. Cierre la segunda fibra.
    1. Repita el paso 1.1 en la segunda fibra con el otro soporte de fibra. Las dos fibras que se deben empalmar deben ser cenadas con los extremos de corte sostenidos opuestos entre sí por los soportes de fibra dentro de la empalmadora de fibra.
    2. Cierre la cubierta del empalme.
  3. Fusión empalmar las fibras.
    1. Configure los parámetros en el empalme de fusión, incluido el diámetro del núcleo, el diámetro del campo de modo (MFD) y el diámetro del revestimiento. Establezca el método de alineación en Revestimiento.
    2. Pulse el botón de inicio y el empalme se alineará automáticamente.
      NOTA: Es posible obtener mensajes de error con respecto a una forma de cuchilla deficiente o un gran ángulo de centelleo. Esto es generalmente debido a una mala obstrucción o contaminación de la fibra después de la separación. Si esto ocurre, repita el procedimiento de corte de fibra.
    3. Pulse el botón de inicio en cada parada para confirmar la calidad del empalme. El empalme se realizará automáticamente.
    4. Compruebe la calidad del empalme a través de las comprobaciones de control de calidad realizadas por el empalme, así como mediante la vista de cámara de la región de empalme. Un buen empalme tiene un límite de revestimiento uniforme y un brillo uniforme a lo largo de la fibra de modo que ninguna coyuntura de empalme es visible.
      NOTA: Los empalmes de fibra a menudo incluyen óptica para inspeccionar el empalme y estimar la pérdida de potencia en función de la geometría medida, la forma y la refracción de la luz a través de la fibra utilizando una fuente perpendicular a la fibra para ver, crear una imagen y analizar la unión del empalme. Por supuesto, esto es sólo una estimación, pero es suficiente en la mayoría de los casos. Para fibras idénticas, el empalme estimará esta pérdida como 0 dB (es decir, ninguna pérdida detectable). A partir de los resultados anteriores con los empalmes de fibra diferentes descritos a continuación, las estimaciones del empalme de las pérdidas de potencia oscilan entre 0,07 dB (puntos de empalme B y C, Figura 1)y 0,3 dB (punto de empalme D). Estas estimaciones probablemente sobreestiman la pérdida debido a la geometría no coincidente y la refracción de la fibra óptica diferente, que aparecen falsamente como objetos defectuosos.
    5. Abra la cubierta del empalmador y, a continuación, abra uno de los soportes de fibra. El otro soporte de fibra no debe abrirse hasta que la fibra empalmada se retire del empalme.
    6. Como opción, se puede añadir un manguito de fibra para proteger el empalme. El calentador de la empalme se puede utilizar para moldear el manguito sobre la fibra. Alternativamente, se puede utilizar una pistola de aire caliente.
      NOTA: Si las dos fibras son muy largas o unidas a otros componentes, el manguito debe colocarse en una de las fibras antes de cortar, y luego se puede mover al punto de empalme. El manguito de fibra actúa como un tubo termorretráctil en circuitos electrónicos. Se puede utilizar para proteger el punto de empalme de una fuerza de flexión o tracción. En su lugar, se puede utilizar un recoatador de fibra para recubrir el punto de empalme para obtener la máxima protección del punto de empalme a daños mecánicos, aunque con un gasto adicional significativo, ya que este equipo debe adquirirse si no está disponible fácilmente.

2. Montar las piezas de fibra

  1. Empalme la fibra de salida de la bomba <1> con la entrada de la bomba <2> del combinador de señal de la bomba (véase el diagrama del láser de fibra, Figura 1).
    1. Siga la sección 1 para cleave y empalme las fibras. Utilice la configuración predeterminada del programa BASIC I SP, con la excepción de los parámetros de fibra (2-A y 2-B) que deben introducirse manualmente. Los parámetros de empalme que deben introducirse se pueden encontrar en el Cuadro 1.
  2. Empalme la salida del combinador <3> a la fibra activa dopada por Yb.
    1. Siga el paso 1.1 para cleave la fibra de salida del combinador <3>.
    2. Cierre la fibra activa <4>.
      NOTA: Debido a que la fibra activa <4> tiene un revestimiento octogonal, no se ajusta a la ranura en V de la cortadora de fibra. Por lo tanto, un simple cleave como se describe en el paso 1.1 producirá un ángulo de obstrucción relativamente grande. Por lo tanto, los siguientes pasos describen un protocolo especial para lograr un ángulo de obstrucción plano utilizando el mismo equipo.
      1. Siga la sección 1 para cleave y empalme la fibra activa <4> y una pieza de 6/125 SMF. Este SMF se elimina más tarde y no se incorpora al láser. Por lo tanto, es aceptable si la calidad de este ángulo de la cuchilla es pobre. No es importante obtener un ángulo de obstrucción plano para este paso.
      2. Corte el SMF a unos 2 cm del punto de empalme con una cortadora de alambre.
      3. Desmonte toda la longitud del SMF, y desmonte la fibra activa durante otros 0,5 cm. Ahora la fibra activa está tapada con 2 cm de SMF sin búfer.
      4. Cargue la fibra activa en la cortadora como en los pasos 1.1.3-1.1.5. Asegúrese de que sólo el SMF, que tiene un revestimiento circular, está sujetado por la abrazadera de fibra.
      5. Siga los pasos 1.1.6 y 1.1.7 para cleave la fibra activa <4>. Dado que sólo el SMF está en la ranura en V, este corte producirá un ángulo de corte mínimo.
    3. Siga el paso 1.3 para empalmar las fibras.
  3. Mida aproximadamente la potencia total de salida desde el extremo distal de la fibra activa <4>.
    1. Corte la fibra activa <4> a 3 m desde el punto de empalme . Fibra activa más larga se puede utilizar para una mayor potencia de salida, pero la tasa de repetición se reducirá debido al aumento en la longitud de la cavidad.
    2. Deje el extremo <4C> como se menciona en el paso 1.1.
      NOTA: Debido a que se estima la medición de potencia en el siguiente paso, no es necesario utilizar el método mencionado en el paso 2.2.2.
    3. Apunte la fibra hacia el medidor de potencia y reúna la fibra y el medidor de potencia sin contacto físico.
      ADVERTENCIA: Poner la punta de la fibra demasiado cerca del medidor de potencia posiblemente dañará el sensor del medidor de potencia, ya que la potencia de la luz se concentra en un pequeño punto en el sensor. Para evitar esto, utilice una potencia de bomba mínima y confiable.
    4. Lea la salida de potencia del medidor de potencia. Un grande (>80%) el rendimiento de eficiencia indica suficientes empalmes de calidad en los puntos y .
      NOTA: Es normal tener cierta pérdida de potencia debido a la absorción de la fibra activa y debido a la ineficiencia del método de acoplamiento al medidor de potencia como se menciona en los pasos 2.3.2 a 2.3.3.
  4. Empalme la fibra activa <4> a la entrada <5> del colimador .
    1. Siga el paso 2.2.2 para cortar la fibra activa <4> en el extremo para ser empalmada al colimador.
    2. Corte la entrada <5> del colimador a aproximadamente 40 cm.
      NOTA: La longitud de la fibra pasiva (<5>) no debe ser demasiado larga (>40 cm), porque el pulso amplificado se ampliará sustancialmente en el tiempo y el dominio espectral debido al aumento de la modulación de la autofase (SPM) y la dispersión de velocidad del grupo (GVD) y la dispersión de velocidad del grupo (GVD) después del paso a través de la fibra de ganancia (amplificación del pulso). Estos efectos aumentarán la dificultad de compresión del pulso.
    3. Siga los pasos 1.1 y 1.3 para cleavelar la entrada del colimador <5> y empalme las fibras activas y colimadoras.
      NOTA:Este empalme de una fibra de doble relado a un SMF puede parecer de una calidad inferior a los empalmes anteriores. Sin embargo, el rendimiento real depende solamente de la alineación del núcleo porque el pulso se propaga dentro del núcleo.
  5. Fibra de empalme <6> del segundo colimador a la fibra de entrada de señal <7> del combinador.
    1. Siga la sección 1 para cleave y empalme las fibras.

3. Monte las piezas de fibra en la mesa óptica

  1. Monte el láser de la bomba en la mesa óptica con tornillos y las abrazaderas necesarias.
  2. Monte el combinador de señal de bomba en la mesa óptica con abrazaderas. La pasta térmica se puede utilizar entre el combinador y la mesa, ya que la mesa óptica funciona como un disipador de calor para el combinador.
  3. Coloque las fibras sobre la mesa. Las fibras 1, 2, 3, 5, 6 y 7 se pueden enrollar individualmente para ahorrar espacio, mientras que la fibra activa 4 debe ser recta o enrollada libremente con un radio de curvatura >20 cm. Deje espacio para acceder al empalme para el siguiente paso.
    ADVERTENCIA: Una fuerte curvatura en la fibra activa puede hacer que la señal de la bomba escape al revestimiento interno de la fibra activa. Esto puede conducir a puntos de combustión fatales a lo largo de la fibra activa que requerirá la instalación de una nueva fibra activa.
  4. Aplique el gel de coincidencia de índice para empalmar . El gel de ajuste de índice se utiliza para guiar la luz de la bomba fuera de la fibra activa con el fin de reducir la generación de calor y daño térmico en el punto de empalme. Tenga en cuenta que no hay necesidad de recubrir la fibra. Es preferible dejar la fibra desnuda y recubierta en gel de coincidencia de índice para minimizar el riesgo de daño térmico.
  5. Utilice piezas optomecánicas para montar y fijar los dos colimadores y en la tabla óptica. Los colimadores deben enfrentarse entre sí con una separación de aproximadamente 35 cm para proporcionar espacio suficiente para insertar los componentes del espacio libre en la cavidad.

4. Montar las piezas de espacio libre

  1. Encienda el láser de la bomba. Establezca la potencia en 0,5 W (es decir, por encima del umbral de bloqueo de modo, pero una potencia segura para alinear los componentes del sistema).
    ADVERTENCIA: En este punto, el espacio de laboratorio debe estar certificado por láser de clase IV, deben usarse gafas de seguridad láser y el personal debe haber recibido entrenamiento láser de clase IV.
  2. Utilice un ámbito infrarrojo (IR) para comprobar el punto de empalme . Aplique el gel de coincidencia de índice en cualquier punto brillante que se ve a través del alcance IR (indicativo de posibles puntos de daño térmico) con el fin de ayudar a la luz de escape en estos puntos de riesgo.
  3. Ajuste la posición de los dos colimadores para que apunten directamente entre sí. Se puede utilizar una tarjeta de visualización IR para ayudar a la alineación centrada de la viga en las aberturas de entrada del colimador.
  4. Monte un divisor de haz polarizador (PBS) a 6 cm de . Monte el sensor de un medidor de potencia para que la potencia del rayo de salida láser reflejado se pueda medir continuamente. La longitud de onda del medidor de potencia debe ajustarse a 1.060 nm. Una lectura de potencia de arranque típica con una potencia de bomba de 0,5 W es de 50 mW antes de la alineación.
  5. Ajuste los tornillos de los soportes del colimador para aumentar la lectura del medidor de potencia. Continúe realizando ajustes finos hasta que la potencia de salida alcance un valor máximo de unos 150 mW, lo que indica una excelente alineación.
    NOTA: Este paso requiere un ajuste cuidadoso y del paciente, que a menudo consume mucho tiempo. Es más eficiente seguir un procedimiento sistemático sistemático: En primer lugar, gire los dos tornillos que ajustan el ángulo en la misma dirección (X o Y) en los dos colimadores, con un tornillo girando muy lentamente en una dirección mientras el otro gira rápido para escanear todos ángulos razonables. Siga rastreando la lectura máxima del medidor de potencia. Una vez que se encuentra la potencia máxima, cambie a los tornillos, ajustando a otra dirección. Repita la rotación lenta y el escaneo rápido descritos anteriormente. Debido a los reflejos de las lentes dentro de ambos colimadores, es posible observar múltiples máximas locales mientras se alinean los colimadores. La potencia máxima real es mucho mayor (150 mW) en comparación con el máximo local (70 a 80 mW).
  6. Monte el isolador a 3 cm de . Ajuste de nuevo la dirección de los colimadores para alinear los componentes del espacio libre y maximizar la potencia de salida. La presencia del isolador puede desviar ligeramente la alineación del haz, pero la potencia de salida máxima se recupera mediante ajustes finos a los colimadores.
  7. Monte el filtro birefringen , una placa de media onda y dos placas de onda de cuarto ( y ) en las posiciones correspondientes que se muestran en la Figura 1. El filtro birefringen se intercala entre dos polarizadores:uno antes () y otro después (dentro de )-para crear un efecto de filtro de paso de banda sinusoidal. Debe haber un ángulo de incidente pequeño (3 o 5) para el para controlar el rango de longitud de onda. Ajuste la alineación de los colimadores una vez más hasta que la potencia de salida alcance un valor máximo.

5. Configurar componentes de cavidad adicional

  1. Empalme los tres puertos del divisor(Figura 1) con conectores de fibra óptica (FC) o conectores SubMiniature versión A (SMA). Los tipos de conectores dependen de los puertos de entrada del fotodiodo y del analizador de espectro óptico (OSA). Los pasos de empalme son idénticos a los descritos en la sección 1 anterior.
  2. Conecte una salida del divisor al puerto de entrada de fotodiodo de la OSA y la otra salida al fotodiodo mediante conectores FC.
  3. Conecte el puerto de salida del fotodiodo al osciloscopio (OSC) con un cable Bayonet Neill-Concelman (BNC).
  4. Conecte el colimador al puerto de entrada del divisor.
    NOTA: El uso del conector para conectar el divisor y es para mayor comodidad. Esta conexión se puede reemplazar con un empalme si se desea.
  5. Retire el sensor del medidor de potencia.
  6. Monte el pequeño espejo y la primera rejilla del compresor en la mesa óptica. Para lograr la máxima eficiencia de las rejillas del compresor, utilice el medidor de potencia para controlar la potencia del máximo de primer pedido mientras ajusta el ángulo de incidencia girando la rejilla.
    NOTA: Se puede utilizar una etapa de rotación para controlar con precisión la rotación. Como la pérdida debida al desplazamiento del ángulo de incidente es pequeña, la etapa de rotación no se utiliza aquí para reducir el costo.
  7. Monte el escenario traslacional sobre la mesa. Monte la segunda rejilla del compresor en la etapa traslacional. La distancia entre las rejillas debe ser de aproximadamente 2 cm para una compresión óptima con ajuste fino utilizando la etapa traslacional. Asegúrese de que las rejillas son paralelas.
  8. Monte el espejo del compresor en la mesa óptica. Este espejo debe ser vertical y perpendicular a la dirección móvil de la etapa traslacional.
  9. Monte el resto de los espejos, el divisor de vigas y el colimador . La alineación se ajustará más adelante.
  10. Encienda el láser de la bomba. Ajuste el nivel de la bomba a menos de 0,5 W.
  11. Utilice un ámbito IR para comprobar el empalme . Añade gel de coincidencia de índice a cualquier punto brillante.
    NOTA: El paso 5.11 debe hacerse regularmente durante el uso normal del láser.
  12. Alinee el compresor.
    1. Utilice una tarjeta IR para localizar la viga, ajuste la posición de y las rejillas de compresión para que el haz de salida atraviese las partes de compresión de pulsos en la siguiente secuencia: , , , , , , .
    2. Incline hacia arriba ligeramente para elevar el haz reflejado, haciendo que pase por encima del espejo del selector de pulsos .
      NOTA: se puede sustituir por un retrorreflector de modo que el espejo de pickoff no tenga que estar en ángulo. Es decir, el haz reflejado será paralelo al haz incidente, pero desplazado, utilizando un espejo retrorreflectante para simplificar la configuración.
  13. Alinee el colimador con un haz de salida del divisor de haz.
    1. Encienda el OSA y ajuste el dispositivo al modo Medidor de potencia.
    2. Ajuste el ángulo del espejo y el colimador para maximizar la entrada de energía. La lectura de potencia debe estar por encima de -10 dBm.

6. Lograr un rendimiento con bloqueo de modo con la caracterización de la salida de pulso láser

  1. Encienda el OSC y ajuste el instrumento al modo de acoplamiento de CA con el nivel de disparo establecido en 30 mV.
  2. Mueva la fibra de entrada de fotodiodo OSA a la entrada monocromática. Establezca el dispositivo en modo OSA.
  3. Bloquear la fase del láser ajustando las placas de onda15.
    1. Gire varios grados hacia adelante y hacia atrás. El espectro de bloqueo de modo consiste aproximadamente en dos picos estables con una meseta entre ellos (es decir, una llamada oreja de gato o forma de Batman). Mientras tanto, se puede observar un tren de pulsos estable en el OSC.
    2. Si no se observa el espectro de bloqueo de modo, gire varios grados en una dirección y repita el paso 6.3.1.
    3. Si el espectro de bloqueo de modo no se puede observar repitiendo 6.3.2, gire varios grados y repita el paso 6.3.2.
      NOTA: Hay varios modos característicos de la operación láser que se pueden distinguir observando la OSA: 1. Uno o dos picos estrechos (1 nm). Se trata de emisiones espontáneas amplificadas (ASE). 2. Un pico ancho (50 nm) ruidoso con líneas rotas que aparecen al azar. Este es un espectro de bloqueo de modo parcial (PML). En este modo de pulso similar al ruido, la intensidad y la duración de cada pulso varían, lo que resulta en una mala calidad de imagen a menos que se integren las fluctuaciones de pulso en tiempos de residencia de píxeles más largos. 17 3. Un pico ASE con un fondo muy ruidoso que consta de muchos picos de baja amplitud. Este es un modo Q-switching no bloqueado en modo. Cuando está en este modo, el bloqueo de modo a menudo se puede lograr girando sobre un ángulo pequeño. 4. El espectro de bloqueo de modo en forma de Batman. Las "orejas" suelen tener diferentes amplitudes con un espectro plano entre las entidades del borde afilado. Davoudzadeh et al. proporcionan mediciones detalladas y resultados ilustrativos para cada uno de estos modos de operación17.
  4. Adquiera y analice el espectro de radiofrecuencia (RF).
    1. Desconecte el cable BNC del OSC y conéctelo al analizador de espectro RF.
      NOTA: No se recomienda el uso de un adaptador de camiseta BNC, ya que el suelo forma un bucle cerrado, que induce un eco dentro del circuito. El analizador del espectro RF no se muestra en el cuadro 1,porque toma la misma posición que el OSC cuando está en uso.
    2. Siga el manual de instrucciones del analizador de espectro RF para localizar el pico de espectro primario. La frecuencia esperada aproximada se puede calcular en función del tiempo entre dos pulsos utilizando el OSC.
    3. Ajuste suavemente las placas de onda y el filtro birefringen para maximizar la relación señal-ruido, que es la altura del pico primario en relación con el fondo.
      NOTA: El espectro de RF de bloqueo de modo debe ser un solo pico sin lóbulos laterales. Para obtener la mejor calidad de imagen, el SNR debe alcanzar al menos 70 dB. El espectro en la OSA debe ser cuidadosamente monitoreado, haciendo un seguimiento de la forma espectral de Batman, para asegurar que el láser permanece bloqueado en modo.
  5. Siga las instrucciones del fabricante para alinear y operar el autocorrelator para medir la duración del pulso. Se puede utilizar la segunda salida del divisor de haz de cavidad adicional. Una vez que se puede medir la duración del pulso, ajuste cuidadosamente la etapa traslacional en la que está montado para ajustar la distancia entre las dos rejillas para ajustar la duración del pulso.
    NOTA: Para facilitar la alineación, es mejor montar el espejo y por separado de las dos rejillas y la etapa traslacional en la que están montadas. También tenga en cuenta que los pulsos de picosegundo se observan como un pedestal ancho junto con una función de pico de pulso fs central durante la operación parcialmente bloqueada en modo17.
  6. Aumente gradualmente la potencia de la bomba por encima de 0,5 W para encontrar la potencia máxima de la bomba. Se han probado potencias de hasta 5 W. Utilice el ámbito IR para observar constantemente la fibra activa <4>. Si aparece un punto brillante, la potencia de la bomba es demasiado alta dentro de la cavidad, y es probable que queme la fibra activa a este nivel de bomba.
    NOTA: La potencia máxima del sistema depende de la longitud de la fibra activa y de la alineación de los componentes de espacio libre en la cavidad. Los protocolos descritos aquí alcanzan potencias de salida de hasta 1 W sin la aparición de puntos brillantes o quemaduras en la cavidad, y esta potencia es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones de imágenes. Las potencias de salida más altas no se probaron, pero pueden ser posibles, aunque es probable que el multipulsingresulte 16,17,18.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

Es fundamental verificar el funcionamiento con bloqueo de modo al finalizar los procedimientos de fabricación láser de fibra. Las firmas de la generación óptima de pulsos fs y la estabilidad del láser son las siguientes: En primer lugar, el pulso de salida puede caracterizarse lo suficiente por la instrumentación descrita en el paso 6. La salida del espectro de pulsos del oscilador láser debe centrarse cerca de 1.070 nm con la característica oreja de gato o forma de Batman que indica el b...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

Los protocolos descritos aquí sintetizan el know-how y la experiencia que han sido una práctica común en el laboratorio de física láser durante décadas, pero que con frecuencia no es familiar para muchos investigadores biomédicos. Este trabajo intenta hacer que esta tecnología láser de fibra ultrarrápida sea más accesible para la comunidad en general. El diseño láser de fibra ANDi está bien establecido, como se desarrolló por primera vez en trabajos seminales por Wise y sus colegas3. Sin embargo, ...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

Los autores no declaran intereses en competencia.

Agradecimientos

Agradecemos a los Doctores E. Cronin-Furman y M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) por su ayuda en la adquisición de imágenes. Este trabajo fue apoyado por la Beca de los Institutos Nacionales de Salud K22CA181611 (a B.Q.S.) y la Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Premio Smith Family a la Excelencia en Investigación Biomédica (a B.Q.S.).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Adaptadores, espejos, postes, monturas y platina traslacional (optomecánica)ThorlabsTR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)Componentes ópticos estándar
Cortadora de fibra óptica avanzadaAFLCT-100
AutocorreladorFemtochromeFR-103XL/IR/FA/CDA
Montaje de divisorde haz ThorlabsBSH1/M
Empalmadora de fusión de fábricaAFLFSM-100P
Colimadores de fibraOZ Optics (Canadá)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
Detector de fotodiodos de alta velocidad acoplado a fibraThorlabs DET08CFC
Aislador de espacio libreThorlabsIO-5-1050-HP
Aislador de espacio libreThorlabsIO-3D-1050-VLP
Media placa de ondaUnion Optics (China)WPZ23122x
Módulo de bomba de fibra multimodo de alta potenciaGauss Lasers (China)Pump-MM-976-10
Bomba de alta potencia y combinador de señalesITF Technology (Canadá)MMC02112DF1
Gel de coincidencia de índiceThorlabsG608N3
Analizador de espectro ópticoKeysightAgilent 70951B
OsciloscopioKeysightAgilent 54845A
Fibra pasiva de doble capa (5/130 μ m)Tecnología ITF (Canadá)MMC02112DF13m, Incluido con el combinador
Divisor de haz polarizadoThorlabsPBS253
Placas de onda de cuartoUnion Optics (China)WPZ43122x
Placa de filtro birrefringente de cuarzoNewlight (Canadá)BIR1060
analizador de espectro de RFTektronix RSA306B
Fibra monomodo (6/125 μ m)OZ Optics (Canadá)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, incluido con colimadores
Acoplador de fibra monomodoAFW (Australia)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
Rejilla de difracción de transmisión 1LightSmythT-1000-1040-3212-94Para compresor
Rejilla de difracción de transmisión 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94para compresor
Waveplate soportede rotación ThorlabsRSP1/M4x
Fibra monomodo doble dopada con iterbioThorlabsYB1200-6/125DC3m

Referencias

  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).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Empalme de fibrascaracterizaci n de pulsosanalizador de espectro pticomedici n con autocorreladormedici n de la duraci n del pulsoaplicaciones cl nicas

Artículos relacionados