מאמר שיטה

בעלות נמוכה ייצור מותאם אישית ומצב-הפעלה נעולה של כל נורמלי-נפיצה לייזר סיבים שנייה עבור מיקרוסקופ רב פוטון

7.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/60160

⸱

22 בנובמבר 2019

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

במאמר זה

סיכום

שיטה מוצגת כדי לבנות מותאם אישית בעלות נמוכה, מצב נעול לייזר סיבים השני ליישומים פוטנציאליים מיקרוסקופ multiphoton, אנדוסקופיה, ו photomedicine. לייזר זה בנוי באמצעות חלקים זמינים מסחרית וטכניקות שחבור בסיסיות.

תקציר

פרוטוקול מוצג כדי לבנות לייזר סיבים מותאמים אישית בעלות נמוכה אך ביצועים גבוהים (fs). זה כל-כך נורמלי פיזור (אנדי) הלייזר סיבים מסומם בנוי לחלוטין באמצעות חלקים זמינים מסחרית, כולל $8,000 ב סיבים אופטיים ומשאבה רכיבי לייזר, בתוספת $4,800 ברכיבים אופטיים סטנדרטיים ואביזרים החלל הנוסף. חוקרים חדשים לייצור סיבים אופטיים המכשיר עשוי גם לשקול השקעה סיבים בסיסיים שחבור ומכשור לייזר לאפיון הדופק (~ $63,000). חשוב לפעולת לייזר אופטימלית, שיטות לאימות true לעומת ביצועים (באופן חלקי או רעש) מוצגים. מערכת זו משיגה 70 fs משך הדופק עם אורך הגל של כ 1,070 ננומטר ושיעור החזרה פולס של 31 MHz. זה לייזר סיבים מציג את ביצועי השיא שניתן לקבל עבור מערכת בקלות התאספו לייזר סיבים, מה שהופך את העיצוב הזה אידיאלי עבור מעבדות מחקר במטרה לפתח טכנולוגיות לייזר קומפקטי ונייד fs המאפשרים יישומים חדשים של מיקרוסקופ רב-פוטון קליני וכירורגיה.

מבוא

מוצק המצב לייזר (fs) פעמו לייזרים משמשים רבות עבור מיקרוסקופ ומחקר ביולוגי. דוגמה אחת טיפוסית היא השימוש של עירור הפוטון (MPE) מיקרוסקופ הקרינה הפלואורסצנטית, שם גבוה כוח שיא הכוח הממוצע נמוך הם רוצים להקל על תהליך MPE תוך צמצום מנגנוני פוטונזק. לייזרים רבים בעלי ביצועים גבוהים למצב מוצק הם זמינים מסחרית, ובשילוב עם מתנד פרמטרית אופטי (פופו), אורך הגל לייזר יכול להיות מכוון על מגוון רחב1. לדוגמה, מערכות מתנד מסחרי-פופו לייצר < 120 fs משכי פעימה (בדרך כלל עם שיעור החזרה של 80 MHz הדופק) ו > 1 W כוח ממוצע מ 680 ל 1,300 nm. עם זאת, את העלות של אלה מערכות לייזר מסחריות האלה מאוד משמעותי (> $200000), ומערכות מוצק המדינה דורשים בדרך כלל קירור מים אינם ניידים עבור יישומים קליניים.

טכנולוגיית לייזר סיבים פעמו הרבה יותר התבגר בשנים האחרונות. העלות של fs מסחרי פעמו לייזר סיבים הוא בדרך כלל נמוך באופן משמעותי מאשר לייזרים מוצק, אם כי ללא יכולת של כוונון רחב אורך הגל המוענקת על ידי מערכות מוצק המדינה שהוזכרו לעיל. שים לב כי לייזרים סיבים ניתן לזווג עם OPOs כאשר הרצוי (כלומר, סיבים היברידית מערכות מוצק-מצב). היחס הגדול משטח לנפח של מערכות לייזר סיבים מאפשר קירור אוויר יעיל2. מכאן, לייזרים סיבים ניידים יותר מאשר מערכות מוצק מדינה בשל גודלם הקטן יחסית ומערכת קירור פשוטה. עוד, שחבור היתוך של רכיבי סיבים מפחית את מורכבות המערכת ואת הסחף מכני בניגוד ליישור שטח חופשי של רכיבים אופטיים המרכיבים מכשירים מוצק. כל התכונות האלה להפוך לייזרים סיבים אידיאלי עבור יישומים קליניים. למעשה, לייזרים כל סיבים פותחו לפעולה תחזוקה נמוכה3,4,5, ו-polarization כל שמירה (PM)-לייזרים סיבים יציבים גורמים סביבתיים כולל שינויים טמפרטורה ולחות, כמו גם תנודותמכני 2,6,7,8.

כאן, שיטה מוצגת כדי לבנות לייזר בעלות חסכונית הלייזר אנדי עם חלקים זמינים מסחרית וטכניקות החדרת סיבים סטנדרטיים. שיטות לאפיון שיעור החזרה על הדופק, משך, וקוהרנטיות (מצב מלא-lock) מוצגים גם. לייזר סיבים כתוצאה מכך מייצרת פולסים נעולים מצב שניתן לדחוס 70 fs עם קצב החזרה של 31 MHz ו אורך הגל ממורכז ב 1,060 ל 1,070 nm. תפוקת הכוח המקסימלית מחלל הלייזר היא כ 1 W. הדופק פיזיקה של אנדי סיבים לייזרים באלגנטיות משתמשת האבולוציה לינארית הפולני מהותי סיבים אופטיים כרכיב מפתח של הבולם שניתן לשוללים2,3,9,10,11. עם זאת, משמעות הדבר היא שהעיצוב של אנדי אינו מיושם בקלות באמצעות סיבים מסוג PM (למרות שיישום ה-i-PM של הנעילה של המצב של אנדי מדווח, אם כי בעוצמה נמוכה ו-ps משך הפעימה12). לכן, יציבות סביבתית דורשת הנדסה משמעותית. הדור הבא עיצובים לייזר סיבים, כגון מתנד mamyshev יש את הפוטנציאל להציע יציבות סביבתית מלאה כמו כל-PM-סיבים התקנים מסוגל להגדיל את סדר הגודל של אנרגיית הדופק התאיים כמו גם הצעת ירידה משמעותית במשך הדופק כדי לאפשר יישומים המסתמכים על הדופק ספקטרום רחב13,14. הייצור המותאם אישית של עיצובים אלה חדשניים לייזר סיבים חדשים דורש ידע כיצד ושחבור סיבים ניסיון.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. אחוי סיבים במצב יחיד (SMF)

הערה: סעיף 1 מורכב משלבים כלליים לאחוי SMFs. זהו לא חיוני, אבל מומלץ, צעד לתרגול סיבים splices באמצעות סיבים זולים. שלב זה מבטיח ביצועים נאותים של ציוד החבור לפני השימוש בחומרי סיבים אופטיים יקרי ערך.

  1. קליב הסיבים הראשונים.
    1. רצועת כ 30 מ"מ של סיבים עם הכלי להתפשט סיבים. עבור סיבים שבירים (למשל, סיבים לבושים כפול), להב תער ניתן להשתמש כדי לקלף בזהירות את המאגר.
    2. השתמשו ברקמה נטולת סיבים עם אתנול או איזופנול כדי לנקות את הסיבים המופוצלים. צליל זמזום כאשר מנגב את הסיבים מעיד כי סיבים נקיים מספיק.
    3. הניחו את מחזיק הסיבים. על סכין הקצבים ודא שהלהב, מהדק הסיבים של הסכין, ומחזיק הסיבים נקיים. ניתן להשתמש בדגימות כותנה עם אלכוהול כדי לנקות את החלקים האלה של הסכין.
    4. טען בזהירות את הסיבים למחזיק הסיבים. השאירו כ 25 מ"מ מופשט, סיבים נקיים בקצה החופשי של הסכין כדי להדק.
    5. סגור בעדינות את מהדק הסיבים על הסכין. כדי להימנע ממתח נוסף המוחל על הסיבים, פתח מחדש וסגור את התפס כדי שהמתח ישוחרר.
    6. לחץ על "גזור" כפתור הסכין יהיה באופן אוטומטי קליב סיבים.
      הערה: כדי לוודא שהסיב נשאר נקי, דבר לא אמור לגעת בעצת הסיבים לאחר היציאה.
    7. העבר את מחזיק הסיבים למאחה הפיוז. השתמש מלקחיים להזיז את החתיכה לחתוך מן הסיבים למיכל לסילוק שרפ.
      התראה: מלקחיים קשיחים ותיאורי טוויזר חדים יכולים לשבור את הסיבים. הטוויצר המתאים לטיפול באופטיקה סיבים צריך פלסטיק, מעוגל טיפים.
  2. קליב הסיבים השני.
    1. חזור על שלב 1.1 על הסיבים השני עם בעל סיבים אחרים. שני סיבים להיות משולבים צריך להיות ביקח עם קצות ביקח המוחזקים המתנגדים זה לזה על ידי מחזיקי סיבים בתוך מיון סיבים.
    2. . תסגור את המכסה של המיון
  3. היתוך משלב את הסיבים.
    1. הגדר את הפרמטרים על מיזוג ההיתוך, כולל קוטר הליבה, קוטר שדה המצב (MFD), ו קוטר חיפוי. הגדר את שיטת היישור לחיפוי.
    2. לחץ על לחצן ההתחלה והמיון יתיישר באופן אוטומטי.
      הערה: ניתן לקבל הודעות שגיאה לגבי צורה של קליב עני או זווית קליב גדול. זה בדרך כלל עקב קליב עני או זיהום של סיבים לאחר הקליב. אם הדבר מתרחש, חזור על תהליך הסיבים העוזבים.
    3. לחץ על לחצן התחל בכל עצירה כדי לאשר את איכות האחוי. האחוי יבוצע באופן אוטומטי.
    4. בדוק את איכות האחוי באמצעות בדיקות בקרת איכות שבוצעו על ידי המאחה, כמו גם באמצעות תצוגת המצלמה של האזור אחוי. אחוי טוב יש גבול לחיפוי אחיד בהירות אחידה לאורך הסיבים כגון לא אחונה מופיע.
      הערה: מיאופרים סיבים לעתים קרובות כוללים אופטיקה כדי לבדוק את האחוי ולאמוד את אובדן הכוח מבוסס על הגיאומטריה הנמדד, צורה, ושבירה אור דרך הסיבים באמצעות מקור בניצב לסיבים כדי להציג, תמונה, ולנתח את מפרק האחוי. כמובן, זו רק הערכה, אבל זה מספיק ברוב המקרים. עבור סיבים זהים, המאחה יעריך את ההפסד הזה כמו ~ 0 dB (כלומר, לא לזיהוי הפסד). מתוצאות קודמות עם סיבים splices שונים המתוארים להלן, האומדנים משולבים של כוח הפסדים טווח מ 0.07 dB (אחוי נקודות B ו-C, איור 1) כדי 0.3 dB (אחוי נקודה D). הערכות אלה כנראה מפריז ביותר בגלל הפסד לא תואם גיאומטריה שבירה של סיבים אופטיים שונים, אשר מופיעים לשווא כאובייקטים פגם.
    5. פתח את כיסוי המאחה, ולאחר מכן פתח אחד ממחזיקי הסיבים. המחזיק סיבים אחרים לא צריך להיפתח עד סיבים משולבים מוסר מן המאחה.
    6. כאופציה, שרוול סיבים ניתן להוסיף כדי להגן על אחוי. החימום על המאחה עשוי לשמש כדי לעצב את השרוול על הסיבים. לחילופין, ניתן להשתמש ברובה אוויר חם.
      הערה: אם שני הסיבים ארוכים מאוד או מחוברים לרכיבים אחרים, יש לשים את השרוול על אחד הסיבים לפני היציאה, ולאחר מכן ניתן להעבירו לנקודת השחבור. שרוול הסיבים פועל כמו צינור. לכיווץ חום במעגלים אלקטרוניים ניתן להשתמש בו כדי להגן על נקודת החבור מפני כיפוף או משיכת כוח. ניתן להשתמש באפשרות לאחזור סיבים במקום לעבור למצב של הגנה מירבית על החלק המקסימלי של הנקודה לנזק מכני, אם כי בהוצאות נוספות משמעותיות מאחר שציוד זה חייב להיות נרכש אם אינו זמין בקלות.

2. הכנס את חלקי הסיבים

  1. אחוי את סיבי פלט המשאבה < 1 > עם קלט המשאבה < 2 > של משאבת האות בנת (לראות את דיאגרמת לייזר סיבים, איור 1).
    1. בצע את סעיף 1 כדי לקליב ולאחוי את הסיבים. השתמש בהגדרת ברירת המחדל של התוכנית BASIC I SP, למעט פרמטרי הסיבים (2-A ו-2-B) הצריכים להיות קלט באופן ידני. הפרמטרים שצריך להזין ניתן למצוא בטבלה 1.
  2. אחוי את תפוקת הקומנר < 3 > לסיבים הפעילים של Yb-מסומם.
    1. בצע את שלב 1.1 כדי קליב סיבים הפלט בנת < 3 >.
    2. קליב הסיבים הפעילים < 4 >.
      הערה: מכיוון שהסיבים הפעילים < 4 > כולל ציפוי מתומן, הוא אינו מתאים ל-V-groove של סכין הסיבים. לכן, קליב פשוט כמתואר בשלב 1.1 תניב זווית קליב גדול יחסית. כך, השלבים הבאים מתווה פרוטוקול מיוחד כדי להשיג זווית קליב שטוח באמצעות אותו ציוד.
      1. בצע את סעיף 1 כדי קליב ו אחוי את הסיבים הפעילים < 4 > וחתיכת 6/125 SMF. SMF זה מוסר מאוחר יותר ואינו משולב לתוך הלייזר. לכן, זה מקובל אם האיכות של זווית זו קליב הוא עני. זה לא חשוב לקבל זווית קליב שטוח עבור שלב זה.
      2. חותכים את ה-SMF בערך 2 ס מ מנקודת החבור עם חותך התיל.
      3. להסיר את כל אורך של SMF, ולהסיר את הסיבים הפעילים עבור 0.5 ס מ אחר. עכשיו סיבים פעילים מושלגת 2 ס מ של SMF buffless.
      4. לטעון את הסיבים הפעילים לתוך הסכין כמו בשלבים 1.1.3-1.1.5. ודא שרק ה-SMF, הכולל חיפוי עגול, מהודק על-ידי מהדק הסיבים.
      5. בצע את השלבים 1.1.6 ו 1.1.7 כדי קליב סיבים פעילים < 4 >. מאז רק SMF הוא ב V-groove, קליב זה תניב זווית קליב מינימלית.
    3. בצע את שלב 1.3 כדי לאחואת הסיבים.
  3. במידה רבה למדוד את תפוקת הכוח הכולל מהקצה המרוחק של סיבים פעילים < 4 >.
    1. חותכים את הסיבים הפעילים < 4 > ב ~ 3 m מאחוי נקודה < B >. סיבים פעילים ארוכים יותר ניתן להשתמש עבור כוח פלט גבוה יותר, אך שיעור החזרה יקטן בשל העלייה באורך החלל.
    2. קליב את הסוף < 4C > כפי שהוזכר בשלב 1.1.
      הערה: מכיוון שמדידת צריכת החשמל בשלב הבא מוערכת, אין צורך להשתמש בשיטה שהוזכרה בשלב 2.2.2.
    3. הצבע את הסיבים לעבר מד הכוח ולהביא את הסיבים ואת מד הכוח יחד ללא מגע פיזי.
      אזהרה: לשים את קצה הסיבים קרוב מדי כדי מד הכוח יהיה נזק חיישן מד הכוח, כמו כוח האור מרוכז נקודה קטנה על החיישן. כדי למנוע זאת, השתמש בעוצמת משאבה אמינה מינימלית.
    4. . קרא את תפוקת הכוח ממד הכוח גדול (> 80%) תפוקת היעילות מציינת איכות מספקת splices בנקודות < A > ו-< B >.
      הערה: זה נורמלי להיות קצת אובדן הכוח בשל ספיגת הסיבים הפעילים ובגלל חוסר היעילות של שיטת הצימוד כדי מד הכוח כפי שהוזכר בשלבים 2.3.2 כדי 2.3.3.
  4. אחוי את הסיבים הפעילים < 4 > לקלט < 5 > של הקולמטאו < עמודה 1 >.
    1. בצע את הצעד 2.2.2 כדי לקליב את הסיבים הפעילים < 4 > בסוף < C > כדי להיות משולבים כדי הקוליאיד.
    2. חותכים את הקלט < 5 > של הקולמטאו < עמודה 1 > כ 40 ס מ.
      הערה: אורך הסיבים פסיבי (< 5 >) לא צריך להיות ארוך מדי (> 40 ס מ), כי הדופק מוגבר יהיה להרחיב באופן משמעותי בזמן ואת התחום ספקטרלי בשל מוגבר אפנון שלב עצמי (SPM) ומהירות קבוצה פיזור (GVD) לאחר מעבר דרך סיבים לצבור (הגברה הדופק). תופעות אלה יגבירו את הקושי של דחיסת הדופק.
    3. בצע את שלבים 1.1 ו 1.3 כדי לקליב את הקלט הקולימטור < 5 > ואחוי את הסיבים הפעילים והמקולמטלי.
      הערה: זה אחוי < C > אחוי של סיבים לבושים כפול כדי SMF עשוי להיראות באיכות נמוכה יותר מאשר splices הקודם. עם זאת, הביצועים בפועל תלויים רק ביישור הליבה משום שהדופק מפיץ בתוך הליבה.
  5. אחוי סיבים < 6 > של הקולימטור השני < Col2 > לסיבים קלט האות < 7 > של combiner.
    1. בצע את סעיף 1 כדי לקליב ולאחוי את הסיבים.

3. הבהר את חלקי הסיבים לטבלה האופטית

  1. הר את לייזר המשאבה לטבלה אופטית עם ברגים ומלחציים הדרושים.
  2. הר את אות המשאבה בנת לטבלה אופטית עם מלחציים. ניתן להשתמש במשחה תרמית בין הקומנר לבין השולחן, מכיוון שהטבלה האופטית פועלת ככיור חום לקומנר.
  3. . שים את הסיבים על השולחן סיבים 1, 2, 3, 5, 6, ו -7 יכול להיות מתפתל באופן אינדיבידואלי כדי לחסוך בחלל, בעוד סיבים פעילים 4 צריך להיות ישר או מפותל בצורה רופפת עם רדיוס של עקמומיות > 20 ס מ. להשאיר מקום כדי לגשת אחוי < C > לשלב הבא.
    התראה: עיקול חזק בסיבים הפעילים עלול לגרום לאות המשאבה להימלט מהחיפוי הפנימי של הסיבים הפעילים. הדבר עלול להוביל לנקודות כוויות קטלניות לאורך הסיבים הפעילים שיחייבו התקנת סיב פעיל חדש.
  4. החל את הג'ל התואם לאינדקס כדי לאחוי < C >. ג'ל התאמת המדד משמש כדי להנחות את אור המשאבה מתוך סיבים פעילים כדי להפחית את הדור של נזק חום ותרמי על אחוי נקודה. שים לב כי אין צורך לעבור באמצעות הסיבים. עדיף להשאיר את הסיבים חשופים מצופה ג'ל התאמת מדד כדי למזער את הסיכון של נזק תרמי.
  5. השתמש בחלקים optomechanical כדי לטעון ולתקן את שני הקולמטים < עמודה 1 > ו< Col2 > בטבלה האופטית. מנקבים צריך להתמודד אחד עם השני עם הפרדה של כ 35 ס מ כדי לספק מספיק מקום להכנסת רכיבים בחלל הפנוי.

4. להרכיב את חלקי החלל החופשי

  1. . תדליק את לייזר המשאבה הגדר את הכוח ל-0.5 W (כלומר, מעל הסף לנעילת מצב, אך בטוח בכוח ליישור רכיבי המערכת).
    אזהרה: בשלב זה, מרחב המעבדה חייב להיות Class IV לייזר מוסמך, משקפי בטיחות לייזר חייב להיות שחוקים, ואנשי הצוות חייב לקבל הדרכה לייזר IV Class.
  2. השתמש בטווח אינפרא-אדום (IR) כדי לבדוק את אחוי < C >. החל את ג'ל ההתאמה האינדקסיאלי על כל כתמים בהירים שנראו דרך היקף IR (המצביע על נקודות פוטנציאליות של נזק תרמי) כדי לסייע לבריחה קלה בנקודות סיכון אלה.
  3. התאם את מיקום שני המקולורים כך שהם מצביעים הישר זה על זה. ניתן להשתמש בכרטיס צפייה ב-IR כדי לסייע ליישור קרן ממורכז בפתחים המשמשים כניסה.
  4. הר מפצל קרן מקיטוב (PBS) במרחק 6 ס מ מ< עמודה 1 >. הר החיישן של מד כוח, כך את הכוח של קרן פלט לייזר משתקף ניתן למדוד ברציפות. את אורך הגל של מד הכוח צריך להיות מוגדר ל 1,060 ננומטר. קריאה כוח ההפעלה אופייני עם 0.5 W כוח המשאבה הוא ~ 50 mW לפני יישור.
  5. כוונן את הברגים על טעינות הקולימטור כדי להגדיל את הקריאה של מד הכוח. המשך לבצע התאמות משובחות עד שכוח הפלט יגיע לערך המירבי של כ-150 mW, המציין יישור מצוין.
    הערה: שלב זה דורש הסתגלות זהירה ומטופלת, שלעתים קרובות צורכת זמן רב. זה היעיל ביותר לעקוב אחר הליך שיטתי שיטתי: ראשית, לסובב את שני הברגים להתאים את הזווית באותו כיוון (X או Y) על שני המסובבים, עם בורג אחד מסתובב לאט מאוד בכיוון אחד בעוד השני הוא מסתובב מהר כדי לסרוק את כל זוויות סבירות. המשיכו לעקוב אחר הקריאה המרבית מהמד החשמלי. לאחר שיימצא הכוח המירבי, עבור לברגים, התאמה לכיוון אחר. חזור על הסיבוב האיטי והסריקה המהירה שתוארה לעיל. בשל השתקפויות של העדשות בתוך משני הקולפים, אפשר להתבונן מספר מקסימה מקומית תוך כדי יישור הקולפים. העוצמה המרבית בפועל היא הרבה יותר גדולה (150 mW) לעומת מקסימה מקומית (70 ל 80 mW).
  6. הר הבודדים 3 ס מ מ< Col2 >. התאם שוב את כיוון הקולמטים כדי ליישר את רכיבי השטח הפנוי ולהגדיל את עוצמת הפלט. הנוכחות של המבודדת עשוי מעט להסיט את היישור הקרן, אבל כוח התפוקה המקסימלי הוא התאושש על ידי התאמות קנס על הקולמטורים.
  7. הר המסנן השני < BF >, לוחית חצי גל < HWP > ושני רבעון לוחות גל (< QWP1 > ו < QWP2 >) למיקומים המתאימים המוצג באיור 1. מסנן שבירה הוא דחוקה בין שני מקטני-אחד לפני (< PBS >) ואחד אחרי (בתוך ה< ISO >)-כדי ליצור אפקט מסנן sinusoidal להעביר פס. יש לכלול זווית אירוע קטנה (3 °-5 °) עבור ה< BF > כדי לשלוט בטווח אורך הגל. כוונן את יישור המאצורים פעם נוספת עד שכוח הפלט יגיע לערך המירבי.

5. הגדרת רכיבי חלל מיותרים

  1. אחוי את כל שלושת היציאות של המפצל (איור 1) עם מחברי סיבים אופטיים (FC) או מחברי הגירסה Subminiature A (SMA). סוגי המחברים תלויים ביציאות הקלט של הפוטודיודה ובמנתח הספקטרום האופטי (OSA). אחוי שלבים זהים לאלה המתוארים בסעיף 1 לעיל.
  2. חבר פלט אחד של המפצל ליציאת קלט פוטודיודה של ה-OSA והפלט האחר לפוטודיודה באמצעות מחברי FC.
  3. חבר את יציאת הפלט פוטודיודה לאולוסקופ (OSC) עם כבל כידון נייל-Concelman (BNC).
  4. חבר את מ< הקולמטאו ה> Col3 ליציאת הקלט של המפצל.
    הערה: שימוש במחבר לחיבור המפצל ו-< Col3 > מיועד לנוחיות. ניתן להחליף חיבור זה באחוי אם תרצה.
  5. להסיר את חיישן מד הכוח.
  6. טעינת המראה הקטנה < M1 > ומדחס המדחס הראשון < G1 > על הטבלה האופטית. כדי להשיג יעילות מירבית של המדחס מדחס, השתמש במד הכוח כדי לעקוב אחר הכוח של הסדר הראשון מקסימום תוך התאמת זווית האירוע על ידי סיבוב הסורגים.
    הערה: ניתן להשתמש בשלב רוטציה כדי לשלוט בצורה מדויקת בסיבוב. כאשר ההפסד בשל היסט זווית האירוע קטן, השלב הרוטציה לא משמש כאן כדי להפחית את העלות.
  7. הר את השלב הטרנסלייתי על השולחן. הר the מדחס השני פומפיה < G2 > על הבמה הטרנסלבותית. המרחק בין הגיגים צריך להיות בערך 2 ס מ לדחיסה אופטימלית עם התאמה משובחת באמצעות השלב הטרנסאפילי. ודא שהגרגים מקבילים.
  8. הר המראה מדחס < M2 > על הטבלה האופטית. מראה זו צריכה להיות אנכית ואנכית לכיוון המעבר של השלב הטרנסלייתי.
  9. הר את שאר המראות, את מפצל הקרן, ואת הקולמטאו < Col3 >. היישור יותאם מאוחר יותר.
  10. . תדליק את לייזר המשאבה להתאים את רמת המשאבה פחות מ 0.5 W.
  11. השתמש בטווח IR כדי לבדוק את האחוי < C >. הוסף ג'ל תואם לאינדקס לכל המקומות הבהירים.
    הערה: שלב 5.11 צריך להתבצע באופן סדיר במהלך השימוש הרגיל של הלייזר.
  12. ליישר את המדחס.
    1. השתמש בכרטיס IR כדי לאתר את הקרן, להתאים את המיקום של < M1 >, ואת הציפוי הדחיסה כך קרן הפלט משתמש בחלקים דחיסת הדופק ברצף הבא: < M1 >, < G1 >, < G2 >, < M2 >, < G2 > , < G1 >, < M1 >.
    2. הטיה < M2 > למעלה מעט כדי להעלות את הקורה המשתקף, מה שהופך אותו לעבור מעל המראה בורר הדופק < M1 >.
      הערה: < M2 > יכול להיות מוחלף על ידי הקטור מחדש, כך המראה החוצה < M1 > צריך להיות בזווית. כלומר, הקרן המשוקפת תהיה מקבילה לקרן האירוע, אך עקרה, תוך שימוש בשיקוף retroreflective כדי לפשט את הכיוונון.
  13. יישר את הקולימטור עם קרן פלט אחת של מפצל הקרן.
    1. הפעל את OSA והגדר את ההתקן למצב מד מתח.
    2. התאימו את זווית המראה < M3 > ואת הקולמטאור כדי למקסם את הזנת החשמל. קריאת החשמל צריכה להיות מעל 10 dBm.

6. השגת מצב נעול ביצועים עם האפיון של פלט הדופק לייזר

  1. הפעל את OSC והגדר את המכשיר למצב צימוד AC כאשר רמת ההדק מוגדרת ל-30 mV.
  2. הזז את סיבי הקלט של ה-OSA לקלט מונוכרומטי. הגדר את ההתקן למצב OSA.
  3. לנעול את השלב של הלייזר על ידי התאמת צלחות גל15.
    1. לסובב את < QWP2 > כמה מעלות קדימה ואחורה. ספקטרום נעילת המצב בערך מורכב משתי פסגות יציבות עם מישור ביניהם (כלומר, האוזן כביכול או צורת באטמן). בינתיים, רכבת הדופק יציבה ניתן לצפות על OSC.
    2. אם קשת נעילת מצב לא נצפתה, לסובב את < QWP1 > כמה מעלות בכיוון אחד ולחזור על 6.3.1 צעד.
    3. אם לא ניתן לצפות בספקטרום נעילת המצב על-ידי 6.3.2 חוזרת, סובב את < BF > מספר מעלות וחזור על 6.3.2 שלב.
      הערה: ישנם מספר מצבים אופייניים של פעולת לייזר שניתן להבחין בהם על-ידי התבוננות ב-OSA: 1. אחד או שניים הפסגות הצר (~ 1 ננומטר). אלה הם פליטות ספונטניות מוגבר (ASE). 2. רחב (~ 50 nm) שיא רועש עם קווים שבורים המופיעים באופן אקראי. מדובר בספקטרום חלקי לנעילת מצב (PML). במצב זה רעש כמו דופק העוצמה והמשך של כל פעימה משתנה, אשר תוצאות איכות התמונה הירודה, אלא אם כן משלב את תנודות הדופק מעל הזמן מגורים הפיקסל יותר. . שלוש עשרה פסגת ASE אחת עם רקע רועש מאוד שמורכב מפסגות רבות של משרעת נמוכות. זהו מצב של החלפת Q שאינה נעולה על מצב. כאשר במצב זה, נעילת מצב יכול לעתים קרובות להיות מושגת על ידי סיבוב < QWP1 > על זווית קטנה. 4. באטמן בצורת נעילת מצב הספקטרום. "האוזניים" יש בדרך כלל הגברה שונה עם ספקטרום שטוח בין התכונות החדות החדה. ד ר בערבה ואח ' מספקים מדידות מפורטות ותוצאות המחשה עבור כל אחד מהמצבים הללו של פעולה17.
  4. לרכוש ולנתח את הספקטרום של תדר רדיו (RF).
    1. נתק את כבל BNC מOSC וחבר אותו למנתח הספקטרום של RF.
      הערה: שימוש במתאם BNC tee אינו מומלץ, מכיוון שהאדמה יוצרת לולאה סגורה, הגורמת להד בתוך המעגל. מנתח הספקטרום RF אינו מוצג באיור 1, מכיוון שהוא לוקח את אותה מיקום כמו OSC כאשר בשימוש.
    2. בצע את המדריך RF ההוראה מנתח ספקטרום לאתר את פסגת הספקטרום העיקרי. ניתן לחשב את התדר הצפוי בקירוב בהתבסס על הזמן שבין שני פולסים באמצעות OSC.
    3. התאימו בעדינות את צלחות הגל והמסנן המשני כדי למקסם את היחס בין האות לרעש, שהוא גובה השיא העיקרי יחסית לרקע.
      הערה: מצבי נעילת המצב צריך להיות שיא יחיד ללא אונות צד. לאיכות ההדמיה הטובה ביותר, SNR צריך להגיע לפחות 70 dB. הספקטרום על OSA צריך להיות מפוקח בקפידה, לעקוב אחר הצורה ספקטרלי באטמן, כדי להבטיח את שרידי הלייזר מצב נעול.
  5. בצע את הוראות היצרן כדי ליישר ולהפעיל את האוטומטי כדי למדוד את משך הפעימה. ניתן להשתמש בפלט השני ממפצל האלומות המיותר. לאחר שניתן למדוד את משך הפעימה, התאימו בזהירות את השלב הטרנסלייתי שבו < G2 > מותקן כדי לכוונן את המרחק בין שני הגרגים כדי לכוונן את משך הפעימה.
    הערה: כדי להקל על היישור, מומלץ לטעון את השיקוף < M1 > ו-< M2 > בנפרד משני הגרגים והשלב הטרנסלטילי שאליו הם נטענים. כמו כן, יש לציין כי פולסים פורק נצפו כמעמד רחב יחד עם מרכזי fs הדופק תכונה במהלך הפעולה הנעולה במצב חלקי17.
  6. בהדרגה להגדיל את כוח המשאבה מעל 0.5 W כדי למצוא את כוח המשאבה המקסימלי. הכוחות עד ~ 5W נבדקו. השתמש בטווח IR כדי להתבונן כל הזמן בסיבים הפעילים < 4 >. אם מופיע כתם בהיר, כוח המשאבה גבוה מדי בתוך החלל, וסביר להניח שהוא ישרוף את הסיבים הפעילים ברמת המשאבה.
    הערה: העוצמה המירבית של המערכת תלויה באורך הסיבים הפעילים וביישור של רכיבי החלל הפנוי שבחלל. הפרוטוקולים המתוארים כאן להגיע לכוחות הפלט עד 1 W ללא מראה של נקודות בהירות או כוויות לחלל, והכוח הזה הוא יותר ממספיק עבור יישומים הדמיה ביותר. כוחות התפוקה הגבוהים ביותר לא נבדקו אך ייתכן שהדבר אפשרי, למרות שריבוי פעימות עלול לנבועמגיל 16,17,18.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

זה קריטי כדי לוודא פעולה נעולה מצב עם השלמת הליכים לייזר סיבים. חתימות של דור הדופק האופטימלי ויציבות הלייזר הן כדלקמן: ראשית, הדופק הפלט עשוי להיות מאופיין מספיק על ידי המכשור המתואר בשלב 6. ספקטרום הדופק הפלט מתוך מתנד לייזר צריך להיות ממורכז ליד 1,070 ננומטר עם הגוף האופייני חתול או באטמן הצורה המציינת מצב נעילה כפי שחזוי על ידי סימולציה מספרית של אנדי פולס פיסיקה15 (איור 2א). למרות הספקטרום האופייני הוא אינדיקציה מ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הפרוטוקולים המפורטים כאן לסנתז ידע ומומחיות שהיו מנהג נפוץ במעבדה לייזר פיסיקה במשך עשורים, אבל אשר מוכר לעתים קרובות לחוקרים ביו-רפואיים רבים. עבודה זו מנסה להפוך את טכנולוגיית לייזר סיבים מהירה יותר נגיש יותר לקהילה הרחבה. עיצוב לייזר הסיבים אנדי הוא מבוסס היטב, כפי שפותחה לראשונה בעבודות הזרע של חכמים ועמיתים3. עם זאת, היישומים של טכנולוגיה זו על ידי קבוצות אחרות הביאו לפעמים דיווחים של לייזרים שאינם פועלים כראוי, הממחישות את הצורך לחנך חוקרים ביורפואיים בהיבטים לא טריוויאלי של אפיון הדופק ופעו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים לא מצהירים על אינטרסים מתחרים.

תודות

אנו מודים לד"ר א. קרונין-פורמן ו-מ. וייצמן (תאגיד האולימפוס של קבוצת הפתרונות המדעיים של אמריקה) לסיוע ברכישת תמונות. עבודה זו נתמכת על ידי המכונים הלאומיים של מלגת הבריאות K22CA181611 (to B.Q.S.) והקרן למשפחות ריצ'ארד וסוזן סמית ' (ניוטון, M.A.) פרס משפחת סמית ' למצוינות במחקר ביו-רפואי (לB.Q.S.).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מתאמים, מראות, עמודים, תושבות ושלב תרגומי (אופטומכניקה)ThorlabsTR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)רכיבים אופטיים סטנדרטיים
קליבר סיבים אופטיים מתקדםAFLCT-100
מתאם אוטומטיפמטוכרוםFR-103XL/IR/FA/CDA
תושבת מפצל קרןThorlabsBSH1/M
מפעל היתוך שחבורAFLFSM-100P
קולימטורים סיביםOZ אופטיקה (קנדה)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
גלאי פוטודיודות במהירות גבוההThorlabsDET08CFC
מבודד חלל פנויThorlabsIO-5-1050-HP
מבודד חלל פנויThorlabsIO-3D-1050-VLP
חצי לוחית גליוניון אופטיקה (סין)WPZ23122x
מודול משאבת סיבים מולטי-מוד בעוצמה גבוההגאוס לייזרים (סין)משאבה-MM-976-10
משאבת הספק גבוה ומשלב אותותITF Technology (קנדה)MMC02112DF1
ג'ל תואם אינדקסThorlabsG608N3
מנתח ספקטרום אופטיKeysightAgilent 70951B
אוסילוסקופKeysightAgilent 54845A
סיבים פסיביים בלבוש כפול (5/130 μ m)טכנולוגיית ITF (קנדה)MMC02112DF13 מ', כלול עם משלב
מפצל קרן מקטבThorlabsPBS253
לוחות גל רבעיוניון אופטיקה (סין)WPZ43122x
צלחת מסנן דו-שבירה קוורץNewlight (קנדה)BIR1060
מנתח ספקטרום RFTektronixRSA306B
סיבים במצב יחיד (6/125 μ m)OZ אופטיקה (קנדה)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, כלול עם קולימטורים
מצמד סיבים במצב יחידAFW (אוסטרליה)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
סורג עקיפה של תיבת הילוכים 1LightSmythT-1000-1040-3212-94עבור מדחס
סורג עקיפה לתיבת הילוכים 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94עבור מדחס
תושבת סיבוב לוחית גלThorlabsRSP1 / M4x
סיבים מסוממים Ytterbium במצב יחיד סיבים לבוש כפולThorlabsYB1200-6 / 125DC3 m

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים