Fabricación personalizada de bajo costo y operación bloqueada por modo de un láser de fibra Femtosecond de dispersión normal para microscopía multifotón
22 de noviembre de 2019
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.
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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Resumen
Este artículo presenta un método para construir un láser de fibra femtosegundo bloqueado en modo de bajo costo, que tiene aplicaciones potenciales en microscopía de múltiples fotones, endoscopia y fotomedicina. El láser se construye utilizando componentes disponibles comercialmente y técnicas básicas de empalme, lo que lo convierte en una opción accesible para los investigadores.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Óptica
- Ingeniería biomédica
Antecedentes
- Los láseres de pulsos femtosegundo son herramientas esenciales en la microscopía de múltiples fotones.
- Ofrecen ventajas frente a los láseres ultra rápidos tradicionales de estado sólido, incluyendo una mayor relación costo-eficacia y compacidad.
- Los láseres de fibra eliminan la necesidad de refrigeración por agua, lo que reduce el tamaño del sistema.
- Estos láseres son resistentes a las vibraciones debido a que no requieren alineación.
Objetivo del estudio
- Ofrecer una alternativa rentable frente a los láseres ultrarrápidos comerciales.
- Facilitar el uso de láseres de femtosegundo en diversas aplicaciones biomédicas.
- Demostrar la viabilidad de construir un láser utilizando componentes fácilmente disponibles.
Métodos Utilizados
- Construcción de un láser de fibra de dispersión normal ultrarrápido.
- Uso de componentes disponibles comercialmente para el montaje.
- Aplicación de técnicas básicas de empalme.
- Evaluación del rendimiento del láser en microscopía de multiphotones.
Resultados Principales
- El láser construido es compacto y robusto.
- Reduce significativamente los costos en comparación con las alternativas comerciales.
- El diseño del sistema permite una fácil integración en configuraciones existentes.
- Las pruebas de rendimiento indican que es adecuado para aplicaciones de microscopía de multiphotones.
Conclusiones
- Este método proporciona una opción viable para investigadores que necesitan láseres de femtosegundos.
- El diseño de bajo costo fomenta un acceso más amplio a técnicas avanzadas de imagen.
- Trabajos futuros podrían explorar mejoras adicionales y aplicaciones en fotomedicina.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este protocolo permite a los equipos de I+D en biofármacos desarrollar sistemas láser de femtosegundos compactos y de bajo costo para aplicaciones de microscopía multiphotón, reduciendo las barreras de capital para el acceso a imágenes avanzadas. Al aprovechar componentes de fibra óptica disponibles comercialmente y técnicas estándar de empalme, el enfoque facilita la creación rápida de prototipos y su implementación en flujos de trabajo de imágenes preclínicas. La robustez y portabilidad del sistema favorecen la investigación traslacional y su posible integración en plataformas de imágenes en el punto de atención o intraoperatorias.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biofármacos
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la obtención de imágenes de alta resolución de estructuras celulares y subcelulares para validar la interacción con el blanco y la modulación de vías en modelos de enfermedad.
- Valor operativo: Proporciona características de pulso reproducibles, esenciales para la excitación cuantitativa por dos fotones y lecturas de fluorescencia consistentes.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Apoya ensayos de imágenes sin marcado y con fluorescencia que requieren un enfoque temporal preciso para el análisis resuelto por profundidad de muestras de tejido.
- Valor operativo: Proporciona pulsos estables de 70 fs a una frecuencia de repetición de 31 MHz, asegurando una eficiencia de excitación constante en placas de cribado de alto rendimiento.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Permite la obtención de imágenes de especímenes de tejido fresco y modelos intravital con daño fotónico mínimo debido a los bajos requisitos de potencia promedio.
- Valor operativo: El diseño completamente basado en fibra permite su integración en sondas portátiles o endoscópicas para imágenes preclínicas mínimamente invasivas.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El sistema láser se integra en la continuación del descubrimiento, desde la validación del blanco hasta la obtención de imágenes preclínicas, donde la administración confiable de pulsos es fundamental para obtener lecturas mecanicistas y detectar biomarcadores.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la verificación de hipótesis mediante imágenes de multiphotones de la localización de proteínas, el flujo de calcio y la actividad metabólica en células vivas.
- Selección: Permite la preparación de ensayos mediante una energía de pulso constante y estabilidad espectral, reduciendo la variabilidad en lecturas basadas en fluorescencia.
- Análisis: Proporciona resultados cuantitativos que incluyen duración del pulso, espectro y estabilidad de potencia para correlacionar los parámetros del láser con respuestas biológicas.
- Investigación Traducional: Conecta con la continuidad preclínica al permitir la obtención de imágenes de tejidos ex vivo y modelos de animales pequeños con resolución subcelular.
- Reutilización Empresarial: La arquitectura modular y completamente basada en fibra permite su reutilización en múltiples plataformas de imagen y adaptación a diferentes rangos de longitud de onda mediante componentes de fibra.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en los datos de imagen mediante la operación verificada en modo bloqueado y la dependencia cuadrática de la potencia en las señales de dos fotones.
- Valor operativo: La estandarización mediante componentes disponibles comercialmente y procedimientos documentados de empalme reduce la variabilidad del montaje entre laboratorios.
- Valor estratégico: Reduce el riesgo biológico en fases avanzadas al permitir la validación temprana de los efectos de fármacos en sistemas de tejidos intactos mediante modalidades de imagen clínicamente relevantes.
- Impacto en la cartera: Apoya el avance ajustado al riesgo al proporcionar datos de imagen mecanicistas que informan las decisiones de continuar o descartar compuestos en la optimización de fármacos líderes.
Consideraciones de Implementación
- Se requiere experiencia en empalme de fibras ópticas y en los protocolos de seguridad con láseres para el montaje y la operación.
- Los equipos necesarios incluyen analizadores de espectro óptico, autocorreladores y analizadores de espectro de radiofrecuencia para la caracterización de pulsos.
- La estandarización entre equipos requiere capacitación en técnicas de verificación del bloqueo de modos para distinguir entre funcionamiento real y operaciones similares al ruido.
- Las consideraciones para la adaptación incluyen reemplazar los componentes en espacio libre por versiones con entrega mediante fibra, para mejorar la robustez en entornos clínicos o industriales.
- Las limitaciones prácticas incluyen la necesidad de manejar con cuidado los fragmentos de fibra y la sensibilidad al alineado durante la configuración inicial de la cavidad.
