Name: Fabricación personalizada de bajo costo y operación bloqueada por modo de un láser de fibra Femtosecond de dispersión normal para microscopía multifotón (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-11-22T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Aprende a fabricar un láser de fibra femtosegundo de bajo costo para microscopía multifotón. Este método compacto y robusto utiliza componentes comerciales y técnicas de empalme básicas, facilitando el acceso a la tecnología láser avanzada.

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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.).

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</ol>

Los autores no declaran intereses en competencia.

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, ...

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.

<table><tbody><tr><td>Adaptadores, espejos, postes, monturas y platina traslacional (optomecánica)</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>Componentes ópticos estándar</td></tr><tr><td>Cortadora de fibra óptica avanzada</td><td>AFL</td><td>CT-100</td><td></td></tr><tr><td>Autocorrelador</td><td>Femtochrome</td><td>FR-103XL/IR/FA/CDA</td><td></td></tr><tr><td>Montaje de divisor</td><td>de haz Thorlabs</td><td>BSH1/M</td><td></td></tr><tr><td>Empalmadora de fusión de fábrica</td><td>AFL</td><td>FSM-100P</td><td></td></tr><tr><td>Colimadores de fibra</td><td>OZ Optics (Canadá)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>3x</td></tr><tr><td>Detector de fotodiodos de alta velocidad acoplado a fibra</td><td>Thorlabs DET08CFC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aislador de espacio libre</td><td>Thorlabs</td><td>IO-5-1050-HP</td><td></td></tr><tr><td>Aislador de espacio libre</td><td>Thorlabs</td><td>IO-3D-1050-VLP</td><td></td></tr><tr><td>Media placa de onda</td><td>Union Optics (China)</td><td>WPZ2312</td><td>2x</td></tr><tr><td>Módulo de bomba de fibra multimodo de alta potencia</td><td>Gauss Lasers (China)</td><td>Pump-MM-976-10</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de alta potencia y combinador de señales</td><td>ITF Technology (Canadá)</td><td>MMC02112DF1</td><td></td></tr><tr><td>Gel de coincidencia de índice</td><td>Thorlabs</td><td>G608N3</td><td></td></tr><tr><td>Analizador de espectro óptico</td><td>Keysight</td><td>Agilent 70951B</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscopio</td><td>Keysight</td><td>Agilent 54845A</td><td></td></tr><tr><td>Fibra pasiva de doble capa (5/130 &mu; m)</td><td>Tecnología ITF (Canadá)</td><td>MMC02112DF1</td><td>3m, Incluido con el combinador</td></tr><tr><td>Divisor de haz polarizado</td><td>Thorlabs</td><td>PBS253</td><td></td></tr><tr><td>Placas de onda de cuarto</td><td>Union Optics (China)</td><td>WPZ4312</td><td>2x</td></tr><tr><td>Placa de filtro birrefringente de cuarzo</td><td>Newlight (Canadá)</td><td>BIR1060</td><td></td></tr><tr><td>analizador de espectro de RF</td><td>Tektronix RSA306B</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fibra monomodo (6/125 &mu; m)</td><td>OZ Optics (Canadá)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>1m, incluido con colimadores</td></tr><tr><td>Acoplador de fibra monomodo</td><td>AFW (Australia)</td><td>FOSC-2-64-30-L-1-H64-2</td><td></td></tr><tr><td>Rejilla de difracción de transmisión 1</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-3212-94</td><td>Para compresor</td></tr><tr><td>Rejilla de difracción de transmisión 2</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-60x12.3-94</td><td>para compresor</td></tr><tr><td>Waveplate soporte</td><td>de rotación Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td>4x</td></tr><tr><td>Fibra monomodo doble dopada con iterbio</td><td>Thorlabs</td><td>YB1200-6/125DC</td><td>3m</td></tr></tbody></table>

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

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

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.

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...

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.

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

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

Los láseres de pulso de femtosegundo tienen amplias aplicaciones en la macrocroscopia multifoto. Este protocolo se puede utilizar para fabricar un láser de fibra de dispersión totalmente normal de femtosegundo que sea compacto, robusto y económico. En comparación con los láseres ultrarrápidos comerciales de estado sólido, el láser producido en esta técnica cuesta mucho menos porque consiste sólo en piezas disponibles comercialmente.Además, los láseres de fibra no necesitan refrigeración por agua, por lo que el tamaño del sistema es más pequeño. Por último, pero no menos importante, los componentes de fibra no requieren alineación, lo que hace que el sistema sea robusto a la vibración. A diferencia de los sistemas disponibles comercialmente, este láser no tiene una cubierta para bloquear haces no deseados.Se necesita personal experimentado para montar y operar el láser. Algunos experimentos parecen no serreproducibles porque es muy probable que se pierdan algunos detalles no llamados al seguir instrucciones escritas. En la demostración de vídeo, los espectadores no se perderán nada.Comience por empalmar fibras monomodo, o SMF, con el fin de garantizar el rendimiento adecuado del equipo de empalme antes de que se utilicen materiales de fibra óptica más valiosos. Tira aproximadamente 30 milímetros de la fibra con una herramienta de corte de fibra. Si se trabaja con fibras frágiles, se puede utilizar una cuchilla de afeitar para despegar cuidadosamente el tampón.Utilice un tejido libre de pelusas con etanol o isopropanol para limpiar la fibra despojada. Un zumbido mientras se limpia indica que la fibra está lo suficientemente limpia. A continuación, coloque el soporte de fibra en la cortadora de fibra y asegúrese de que la hoja, la abrazadera de fibra de la cortadora y el soporte de fibra estén limpios.Cargue cuidadosamente la fibra en el soporte de fibra dejando aproximadamente 25 milímetros de fibra limpia despojada en el extremo libre de la cortadora para sujetar. Cierre suavemente la abrazadera de fibra de la cortadora. Para evitar el exceso de tensión en la fibra, vuelva a abrir y cierre la abrazadera.Pulse el botón Cortar y la cortadora cortará automáticamente la fibra. Utilice pinzas con puntas redondeadas de plástico para mover la pieza cortada de la fibra a un contenedor de eliminación de objetos punzantes y transfiera el soporte de fibra al empalme de fusión. Repita el procedimiento para cortar la segunda fibra.Las dos fibras que se empalman juntas deben tener extremos cortados opuestos entre sí por los soportes de fibra dentro del empalme de fibra. Cierre la cubierta del empalme y establezca parámetros como Diámetro de núcleo, Diámetro de campo de modo y Diámetro de revestimiento. Establezca el método de alineación en Revestimiento, pulse el botón Establecer y el empalme se alineará automáticamente.Pulse el botón Ajustar en cada parada para confirmar la calidad de la alineación. El empalme se realizará automáticamente. Compruebe la calidad del empalme utilizando los controles de calidad del empalme, así como la vista de la cámara de la región.Un buen empalme tiene un límite de revestimiento uniforme y un brillo uniforme a lo largo de la fibra de forma que no se pueda ver ninguna coyuntura de empalme. A continuación, abra la cubierta del empalme y uno de los soportes de fibra. Opcionalmente, se puede agregar un manguito de fibra para proteger el empalme y el calentador de la empalmadora se puede utilizar para moldear el manguito en la fibra.Empalme la salida del combinador a la fibra activa dopada de ytterbium. Siga el procedimiento descrito anteriormente para cortar la fibra de salida del combinador. Debido a la forma de su revestimiento, la fibra activa primero debe ser cortada y empalmada con un pedazo de fibra monomodo que más tarde se eliminará.Corte la fibra monomodo a unos dos centímetros del punto de empalme con una cortadora de alambre. A continuación, desmonte toda la longitud de la fibra monomodo y 0,5 centímetros de la fibra activa que dejará la fibra activa cubierta con dos centímetros de fibra de modo único sin búfer. Cargue la fibra activa en la cortadora asegurándose de que la fibra monomodo sólo esté sujetada por la abrazadera de fibra.A partir de este punto, siga el procedimiento descrito anteriormente para cortar y empalmar la fibra. La seguridad es la máxima prioridad. Recuerde poner cada fragmento de fibra en la caja de objetos afilados.Además, las gafas de seguridad láser deben ser advertidos cada vez que la bomba está en funcionamiento. Encienda el osciloscopio y ajuste el instrumento al modo de acoplamiento de CA con el nivel de disparo establecido en 30 milivoltios. Mueva la fibra de entrada de fotodiodo del analizador de espectro óptico a la entrada monocromática y ajuste el dispositivo al modo OSA.A continuación, bloquee la fase del láser ajustando las placas de onda. Gire la placa de cuarta onda 2 varios grados hacia adelante y hacia atrás. El espectro de bloqueo de modo consta de dos picos estables con una meseta entre ellos.Mientras tanto, observe un tren de pulsos estable en el osciloscopio. Si no se observa el espectro de bloqueo de modo, gire la placa de cuarto de onda 1 varios grados en una dirección y repita el paso anterior. Si el espectro aún no se observa, gire el filtro birefringente varios grados y repita el proceso.El funcionamiento con bloqueo de modo se verificó al completar la fabricación con láser de fibra. La salida del espectro de pulsos del oscilador láser se centró cerca de 1070 nanómetros con la forma característica del oído del gato que indica el bloqueo de modo según lo predicho por la simulación numérica. Como un diagnóstico adicional para el bloqueo de modo, la duración del pulso y los espectros de potencia de repetición de pulsos se midieron utilizando el autocorrelador y el analizador de espectro de radiofrecuencia respectivamente.Se midieron duraciones de pulso de 70 femtosegundos. La estabilidad del pulso se probó monitoreando continuamente la potencia de salida promedio y el espectro de pulsos. Cuando la configuración del láser se montaba en una mesa óptica flotante con amortiguación de vibraciones, la deriva de potencia era inferior al 3,5% durante 24 horas sin refrigeración activa.Después de verificar el bloqueo de modo, el rendimiento de la imagen se probó utilizando objetivos de prueba simples y muestras biológicas. La fluorescencia se midió durante los ajustes de la potencia del pulso que verificaron que la señal dependía cuadráticamente de la potencia láser entregada al plano de muestra. Los especímenes biológicos manchados y no manchados fueron imageados usando el láser de fibra hecho a medida.Como una verificación adicional de la excitación de dos fotones, se compararon imágenes hiperespectrales recogidas de microesferas fluorescentes multicolores con imágenes tomadas por excitación lineal con láseres de diodos comerciales. Finalmente, se compararon los espectros normalizados de cuentas verdes y rojas excitadas por el láser de diodo frente al láser de fibra FS personalizado. El componente de espacio libre se puede sustituir por las partes de fibra correspondientes que pueden aumentar aún más la robustez y la movilidad.El sistema de fibra total se puede poner en un carro para escenarios clínicos. El componente de espacio libre se puede sustituir por las partes de fibra correspondientes que pueden aumentar aún más la robustez y la movilidad. El sistema de fibra total se puede poner en un carro para escenarios clínicos.El impacto de esta tecnología es una pregunta abierta. Anticipamos que dará a los investigadores un nuevo acceso a la tecnología láser de femtosegundo y les permitirá desarrollar nuevas publicaciones.

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