Articolo metodologico

Fabbricazione personalizzata a basso costo e funzionamento bloccato in modalità di un laser in fibra Femtosecond a dispersione all'innormale per la microscopia multifotone

DOI:

10.3791/60160

⸱

22 novembre 2019

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

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Viene presentato un metodo per costruire un laser in fibra femtosecondo a basso costo e a basso costo personalizzato per potenziali applicazioni nella microscopia multifotona, nell'endoscopia e nella fotomedicina. Questo laser è costruito utilizzando parti disponibili in commercio e tecniche di giunzione di base.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Viene presentato un protocollo per costruire un laser a fibra di femtosecondo (fs) a basso costo ma ad alte prestazioni. Questo laser a fibra dopata a dispersione completamente normale (ANDi) è costruito completamente utilizzando parti disponibili in commercio, tra cui 8.000 dollari in componenti in fibra ottica e laser a pompa, più 4.800 dollari in componenti ottici standard e accessori extra-cavity. I ricercatori nuovi per la fabbricazione di dispositivi in fibra ottica possono anche considerare l'investimento in attrezzature di base per lo splicing in fibra e l'impulso laser (63.000 usd). Importante per un funzionamento laser ottimale, vengono presentati metodi per verificare le prestazioni vere rispetto a quelle apparenti (parziali o simili al rumore) bloccate in modalità. Questo sistema raggiunge la durata dell'impulso di 70 fs con una lunghezza d'onda centrale di circa 1.070 nm e una velocità di ripetizione dell'impulso di 31 MHz. Questo laser a fibra presenta le massime prestazioni che possono essere ottenute per un sistema laser a fibra facilmente assemblabile, che rende questo progetto ideale per laboratori di ricerca che mirano a sviluppare tecnologie laser fs compatte e portatili che consentono nuove implementazioni di microscopia multifotone clinica e chirurgia fs.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I laser a impulsi femtosecondi (fs) a stato solido sono ampiamente utilizzati per la microscopia e la ricerca biologica. Un esempio tipico è l'uso della microscopia a fluorescenza multifotona (MPE), dove si desidera che l'alta potenza di picco e la bassa potenza media facilitino il processo MPE riducendo al minimo i meccanismi di fotodanno. Molti laser a stato solido ad alte prestazioni sono disponibili in commercio, e quando combinati con un oscillatore parametrico ottico (OPO), la lunghezza d'onda laser può essere sintonizzata su una vasta gamma1. Ad esempio, i sistemi oscillatore-OPO commerciali generano durate degli impulsi <120 fs (in genere con una frequenza di ripetizione dell'impulso di 80 MHz) e >1 W potenza media da 680 a 1.300 nm. Tuttavia, il costo di questi sistemi laser commerciali regolabili fs è significativo (>200.000) e i sistemi a stato solido generalmente richiedono il raffreddamento dell'acqua e non sono portabili per applicazioni cliniche.

La tecnologia laser a fibra pulsata Ultrashort è maturata negli ultimi anni. Il costo di un laser a fibra pulsata fs commerciale è in genere significativamente inferiore rispetto ai laser a stato solido, anche se senza la capacità di un'ampia messa a punto della lunghezza d'onda offerta dai sistemi a stato solido di cui sopra. Si noti che i laser a fibra possono essere accoppiati con OPP quando lo si desidera (cioè sistemi ibridi in fibra-stato solido). L'ampio rapporto superficie-volume dei sistemi laser in fibra consente un raffreddamento ad aria efficiente2. Quindi, i laser a fibra sono più portatili dei sistemi a stato solido a causa delle loro dimensioni relativamente piccole e del sistema di raffreddamento semplificato. Inoltre, la giunzione a fusione dei componenti in fibra riduce la complessità del sistema e la deriva meccanica in contrasto con l'allineamento dello spazio libero dei componenti ottici che costituiscono dispositivi a stato solido. Tutte queste caratteristiche rendono i laser a fibra ideali per applicazioni cliniche. Infatti, i laser a tutta fibra sono stati sviluppati per le operazioni a bassa manutenzione3,4,5e laser in fibra di gestione della polarizzazione (PM) sono stabili a fattori ambientali tra cui variazioni di temperatura e umidità, nonché vibrazioni meccaniche2,6,7,8.

Qui, viene presentato un metodo per costruire un laser in fibra ANDi pulsato fs a basso costo con parti disponibili in commercio e tecniche standard di giunzione in fibra. Vengono inoltre presentati metodi per caratterizzare la frequenza di ripetizione dell'impulso, la durata e la coerenza (blocco completo della modalità). Il laser a fibra risultante genera impulsi bloccati in modalità che possono essere compressi a 70 fs con una velocità di ripetizione di 31 MHz e una lunghezza d'onda centrata a 1.060 a 1.070 nm. L'uscita di potenza massima dalla cavità laser è di circa 1 W. La fisica dell'impulso dei laser a fibra ANDi utilizza elegantemente l'evoluzione della polarizzazione non lineare intrinseca alla fibra ottica come componente chiave dell'assorbitore saturabile2,3,9,10,11. Tuttavia, questo significa che il design ANDi non è facilmente implementato utilizzando fibra PM (anche se è stata segnalata un'implementazione in fibra all-PM di blocco della modalità ANDi, anche se a bassa potenza e durata dell'impulso ps12). Pertanto, la stabilità ambientale richiede un'ingegneria significativa. I progetti laser in fibra di nuova generazione, come l'oscillatore Mamyshev, hanno il potenziale per offrire una stabilità ambientale completa come dispositivi in fibra all-PM in grado di aumentare l'ordine di grandezza dell'energia dell'impulso intracavity, oltre ad offrire riduzioni significative della durata dell'impulso per consentire alle applicazioni che si basano su ampi spettri a impulsi13,14. La fabbricazione personalizzata di questi innovativi nuovi progetti laser in fibra fs richiede know-how e esperienza di giunzione in fibra.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Protocollo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Splice fibre a modalità singola (SMF)

NOTA: la sezione 1 è costituita da passaggi generali per la giunzione delle SMF. Questo è un passo non essenziale, ma consigliato, per praticare giunzioni di fibra utilizzando fibra poco costosa. Questo passaggio garantisce le prestazioni corrette dell'apparecchiatura di giunzione prima di utilizzare materiali in fibra ottica più preziosi.

  1. Fendi la prima fibra.
    1. Striscia di circa 30 mm della fibra con uno strumento di stripping in fibra. Per le fibre fragili (ad esempio, fibre doppie rivestite), una lama di rasoio può essere utilizzata per staccare con attenzione il buffer.
    2. Utilizzare tessuto privo di lanugie con etanolo o isopropanolo per pulire la fibra spogliata. Un ronzio quando si pulisce la fibra indica che la fibra è sufficientemente pulita.
    3. Posizionare il supporto della fibra sulla mannaia della fibra. Assicurarsi che la lama, il morsetto in fibra della mannaia e il supporto della fibra siano tutti puliti. Tamponi di cotone con alcol possono essere utilizzati per pulire queste parti della mannaia.
    4. Caricare con attenzione la fibra nel supporto della fibra. Lasciare circa 25 mm di fibra spogliata e pulita all'estremità libera per bloccare la mannaia.
    5. Chiudere delicatamente il morsetto in fibra sulla mannaia. Per evitare una tensione supplementare applicata alla fibra, riaprire e chiudere il morsetto in modo che la tensione venga rilasciata.
    6. Premere il pulsante "taglia" e la mannaia si schiaccerà automaticamente la fibra.
      NOTA: Per garantire che la fibra rimanga pulita, nulla dovrebbe toccare la punta della fibra dopo la fessura.
    7. Trasferire il supporto della fibra alla splicer di fusione. Utilizzare una pinzetta per spostare il pezzo tagliato dalla fibra a un contenitore di smaltimento taglienti.
      AVVISO: le pinzette dure e le punte di pinzetta affilate possono rompere la fibra. Una pinzetta appropriata per la movimentazione delle fibre ottiche deve avere punte di plastica arrotondate.
  2. Fendi la seconda fibra.
    1. Ripetere il passaggio 1.1 sulla seconda fibra con l'altro supporto in fibra. Le due fibre da unire devono essere scissi con le estremità scissive tenute opposte l'una dall'altra dai supporti in fibra all'interno dello splicer di fibra.
    2. Chiudere il coperchio della splicer.
  3. La fusione giunzione le fibre.
    1. Impostare i parametri sullo splicer di fusione, inclusi il diametro del nucleo, il diametro del campo modalità (MFD) e il diametro del rivestimento. Impostare il metodo di allineamento su Cladding.
    2. Premere il pulsante di avvio e lo splicer si allineerà automaticamente.
      NOTA: È possibile ottenere messaggi di errore relativi a una forma scarsa lasciarla o ad un angolo di zoccolo grande. Questo è di solito dovuto a una scarsa zolla o contaminazione della fibra dopo la cleave. In questo caso, ripetere la procedura di scissionitura delle fibre.
    3. Premere il pulsante di avvio ad ogni fermata per confermare la qualità della giunzione. La giunzione verrà eseguita automaticamente.
    4. Controllare la qualità della giunzione tramite i controlli di qualità eseguiti dallo splicer e utilizzando la vista della fotocamera della regione di giunzione. Una buona giunzione ha un contorno di rivestimento uniforme e luminosità uniforme lungo la fibra in modo che nessun frangente giunzione è visibile.
      NOTA: gli splicer in fibra spesso includono l'ottica per ispezionare la giunzione e per stimare la perdita di potenza in base alla geometria misurata, alla forma e alla rifrazione della luce attraverso la fibra utilizzando una fonte perpendicolare alla fibra per visualizzare, immagine e analizzare il giunto della giunzione. Naturalmente, questa è solo una stima, ma è sufficiente nella maggior parte dei casi. Per le fibre identiche, lo splicer stima questa perdita come 0 dB (cioè nessuna perdita rilevabile). Dai risultati precedenti con le diverse giunzioni in fibra descritte di seguito, le stime splicer delle perdite di potenza variano da 0,07 dB (punti di giunzione B e C, Figura 1) a 0,3 dB (punto D). Queste stime molto probabilmente sopravvalutano la perdita a causa di geometria non corrispondente e rifrazione delle diverse ottiche in fibra, che appaiono falsamente come oggetti difettosi.
    5. Aprire il coperchio della stlia, quindi aprire uno dei supporti in fibra. L'altro supporto in fibra non deve essere aperto fino a quando la fibra giunta non viene rimossa dallo splicer.
    6. Come opzione, un manicotto in fibra può essere aggiunto per proteggere la giunzione. Il riscaldatore sulla splicer può essere utilizzato per modellare il manicotto sulla fibra. In alternativa, può essere utilizzata una pistola ad aria calda.
      NOTA: Se le due fibre sono molto lunghe o attaccate ad altri componenti, il manicotto deve essere messo su una delle fibre prima di scissione, e quindi può essere spostato al punto di giunzione. Il manicotto in fibra agisce come un tubo termoretraibile nei circuiti elettronici. Può essere utilizzato per proteggere il punto di giunzione da una forza di piegatura o trazione. Un ripensamento in fibra può essere utilizzato invece per rivestire il punto di giunzione per la massima protezione del punto di giunzione a danni meccanici, anche se a una spesa aggiuntiva significativa perché questa apparecchiatura deve essere acquistata se non è prontamente disponibile.

2. Assemblare le parti in fibra

  1. Giunzione della fibra di uscita della pompa <1> con l'ingresso della pompa <2> del combinatore di segnale della pompa (vedere il diagramma laser in fibra, Figura 1).
    1. Seguire la sezione 1 per fendere e unire le fibre. Utilizzare l'impostazione predefinita del programma BASIC I SP, ad eccezione dei parametri in fibra (2-A e 2-B) che devono essere immessi manualmente. I parametri di giunzione che devono essere immessi sono disponibili nella Tabella 1.
  2. Splice l'uscita del combinatore <3> alla fibra attiva Yb-doped.
    1. Seguire il passaggio 1.1 per fendere la fibra di output del combinatore <3>.
    2. Cleave la fibra attiva <4>.
      NOTA: poiché la fibra attiva <4> ha un rivestimento ottagonale, non si adatta al V-groove della mannaia in fibra. Pertanto, una semplice cleria come descritto nel passaggio 1.1 produrrà un angolo di zoccolzione relativamente grande. Così, i seguenti passaggi delineano un protocollo speciale per ottenere un angolo di zoccoli piatto utilizzando la stessa apparecchiatura.
      1. Seguire la sezione 1 per fendere e unire la fibra attiva <4> e un pezzo di 6/125 SMF. Questo SMF viene rimosso in seguito e non viene incorporato nel laser. Pertanto, è accettabile se la qualità di questo angolo di zolle è scarsa. Non è importante ottenere un angolo di zolla piatto per questo passaggio.
      2. Tagliare l'SMF a circa 2 cm dal punto di giunzione con una taglierina.
      3. Striscia per l'intera lunghezza della SMF, e spogliare la fibra attiva per altri 0,5 cm. Ora la fibra attiva è ricoperta da 2 cm di SMF senza buffer.
      4. Caricare la fibra attiva nella mannaia come nei passaggi 1.1.3-1.1.5. Assicurarsi che solo la SMF, che ha un rivestimento circolare, sia bloccata dal morsetto in fibra.
      5. Seguire i passaggi 1.1.6 e 1.1.7 per fendere la fibra attiva <4>. Poiché solo la SMF è nella V-groove, questa zolla produrrà un angolo minimo di zolle.
    3. Seguire il passaggio 1.3 per unire le fibre.
  3. Misurare approssimativamente l'uscita di potenza totale dall'estremità distale della fibra attiva <4>.
    1. Tagliare la fibra attiva <4> a 3 m dal punto di giunzione . Fibra attiva più lunga può essere utilizzata per una maggiore potenza di uscita, ma il tasso di ripetizione sarà ridotto a causa dell'aumento della lunghezza della cavità.
    2. Terminare la fine <4C> come indicato nel passaggio 1.1.
      NOTA: poiché viene stimata la misurazione della potenza nel passaggio successivo, non è necessario utilizzare il metodo indicato nel passaggio 2.2.2.
    3. Puntare la fibra verso il misuratore di potenza e riunire la fibra e il misuratore di potenza senza contatto fisico.
      AVVISO: Mettere la punta della fibra troppo vicina al misuratore di potenza probabilmente danneggerà il sensore del misuratore di potenza, poiché la potenza della luce è concentrata in un piccolo punto del sensore. Per evitare questo, utilizzare una potenza minima affidabile pompa.
    4. Leggere l'uscita di potenza dal misuratore di potenza. Un grande (>80%) Velocità effettiva di efficienza indica giunzioni di qualità sufficiente nei punti e .
      NOTA: È normale avere una certa perdita di potenza a causa dell'assorbimento della fibra attiva e a causa dell'inefficienza del metodo di accoppiamento al misuratore di potenza come indicato nei passaggi da 2.3.2 a 2.3.3.
  4. Unire la fibra attiva <4> all'input <5> del collimatore .
    1. Seguire il passaggio 2.2.2 per fendere la fibra attiva <4> alla fine da unire al collimatore.
    2. Tagliare l'input <5> del collimatore a circa 40 cm.
      NOTA: la lunghezza della fibra passiva (<5>) non deve essere troppo lunga (>40 cm), perché l'impulso amplificato si allargherà notevolmente nel tempo e nel dominio spettrale a causa di una maggiore modulazione autofase (SPM) e della dispersione della velocità di gruppo (GVD) successivo passaggio attraverso la fibra di guadagno (amplificazione dell'impulso). Questi effetti aumenteranno la difficoltà di compressione dell'impulso.
    3. Seguire i passaggi 1.1 e 1.3 per fendere l'input collimatore <5> e unire le fibre attive e collimatore.
      NOTA: questa giunzione di una fibra doppia rivestita a una SMF potrebbe sembrare di qualità inferiore rispetto alle giunzioni precedenti. Tuttavia, le prestazioni effettive dipendono solo dall'allineamento del nucleo perché l'impulso si propaga all'interno del core.
  5. Splice fiber <6> del secondo collimator alla fibra di ingresso del segnale <7> del combinatore.
    1. Seguire la sezione 1 per fendere e unire le fibre.

3. Montare le parti in fibra sul tavolo ottico

  1. Montare il laser della pompa sul tavolo ottico con viti ed eventuali morsetti necessari.
  2. Montare il combinatore di segnale della pompa al tavolo ottico con morsetti. La pasta termica può essere utilizzata tra il combinatore e il tavolo, perché il tavolo ottico funziona come un dissipatore di calore per il combinatore.
  3. Posizionare le fibre sul tavolo. Le fibre 1, 2, 3, 5, 6 e 7 possono essere arrotolate singolarmente per risparmiare spazio, mentre la fibra attiva 4 deve essere dritta o arrotolata liberamente con un raggio di curvatura >20 cm. Lasciare un po 'di spazio per accedere alla giunzione per il passo successivo.
    AVVISO: Una forte curva nella fibra attiva può causare il segnale della pompa per sfuggire al rivestimento interno della fibra attiva. Questo può portare a punti di masterizzazione fatale lungo la fibra attiva che richiederà l'installazione di una nuova fibra attiva.
  4. Applicare il gel di corrispondenza dell'indice alla giunzione . Il gel di corrispondenza indice viene utilizzato per guidare la luce della pompa fuori dalla fibra attiva al fine di ridurre la generazione di calore e danni termici al punto di giunzione. Si noti che non è necessario rivestire la fibra. È preferibile lasciare la fibra nuda e rivestita in gel di corrispondenza indice per ridurre al minimo il rischio di danni termici.
  5. Utilizzare parti optomeccaniche per montare e correggere i due collimatori e sul tavolo ottico. I collimatori devono affrontarsi l'un l'altro con una separazione di circa 35 cm per fornire spazio sufficiente per l'inserimento dei componenti dello spazio libero in cavità.

4. Assemblare le parti dello spazio libero

  1. Accendere il laser a pompa. Impostare la potenza su 0,5 W (cioè, al di sopra della soglia per il blocco della modalità ma una potenza sicura per l'allineamento dei componenti del sistema).
    AVVISO: A questo punto, lo spazio di laboratorio deve essere certificato laser di classe IV, gli occhiali di sicurezza laser devono essere indossati e il personale deve aver ricevuto un addestramento laser di classe IV.
  2. Utilizzare un ambito a infrarossi (IR) per controllare il punto di giunzione . Applicare il gel di corrispondenza dell'indice su tutti i punti luminosi visti attraverso l'ambito IR (indicativo di potenziali punti di danno termico) al fine di aiutare la luce a fuggire in questi punti di rischio.
  3. Regolare la posizione dei due collimatori in modo che siano diretti l'uno verso l'altro. Un cardo di visualizzazione a raggi IR può essere utilizzato per facilitare l'allineamento del fascio centrato nelle aperture di ingresso del collimatore.
  4. Montare uno splitter a fascio polarizzante (PBS) a 6 cm di distanza da . Montare il sensore di un misuratore di potenza in modo che la potenza del fascio di uscita laser riflesso possa essere misurata continuamente. La lunghezza d'onda del misuratore di potenza deve essere impostata su 1.060 nm. Una tipica lettura di potenza iniziale con potenza della pompa da 0,5 W è di 50 mW prima dell'allineamento.
  5. Regolare le viti sui supporti collimatore per aumentare la lettura del misuratore di potenza. Continuare a effettuare regolazioni precise fino a quando la potenza di uscita raggiunge un valore massimo di circa 150 mW, il che indica un eccellente allineamento.
    NOTA: Questo passaggio richiede un'attenta e regolazione del paziente, che spesso richiede molto tempo. È più efficiente seguire una procedura sistematica sistematica: in primo luogo, ruotare le due viti che regolano l'angolo nella stessa direzione (X o Y) sui due collimatori, con una vite che ruota molto lentamente in una direzione mentre l'altra ruota velocemente per scansionare tutti angoli ragionevoli. Continuare a monitorare la lettura massima dal misuratore di potenza. Una volta trovata la massima potenza, passare alle viti, regolando in un'altra direzione. Ripetere la rotazione lenta e la scansione rapida descritta in precedenza. A causa dei riflessi delle lenti all'interno di entrambi i collimatori, è possibile osservare più massima locali mentre si allineano i collimatori. La potenza massima effettiva è molto maggiore (150 mW) rispetto alla massima locale (70-80 mW).
  6. Montare l'isolatore di 3 cm da . Regolare nuovamente la direzione dei collimatori per allineare i componenti dello spazio libero e massimizzare la potenza di uscita. La presenza dell'isolatore può deviare leggermente l'allineamento del fascio, ma la potenza massima di uscita viene recuperata da regolazioni fini ai collimatori.
  7. Montare il filtro bire-fringent , una piastra a mezza onda e due piastre a onde di due quarti ( e ) in base alle posizioni corrispondenti indicate nella Figura 1. Il filtro bireo- frantrato viene inserito tra due polarizzatori, uno prima () e uno dopo (all'interno di ) per creare un effetto filtro passa-banda sinusoidale. Per controllare l'intervallo di lunghezza d'onda, è necessario che per il sia presente un piccolo angolo di incidente di 3 o 5 gradi per il valore di . Regolare l'allineamento dei collimatori ancora una volta fino a quando la potenza di uscita raggiunge un valore massimo.

5. Impostare i componenti extra-cavity

  1. Suddividere tutte e tre le porte della barra didivisione( Figura 1 ) con connettori in fibra ottica (FC) o SubMiniature versione A (SMA). I tipi di connettori dipendono dalle porte di ingresso del fotodiodo e dell'analizzatore di spettro ottico (OSA). I passaggi della giunzione sono identici a quelli descritti nella sezione 1 precedente.
  2. Collegare un'uscita dello splitter alla porta di ingresso fotodiodo dell'OSA e l'altra uscita al fotodiode utilizzando connettori FC.
  3. Collegare la porta di uscita fotodiodo all'oscilloscopio (OSC) con un cavo Bayonet Neill-Concelman (BNC).
  4. Connettere il collimator alla porta di input della barra di divisione.
    NOTA: l'utilizzo del connettore per collegare la barra di divisione e è per comodità. Questa connessione può essere sostituita con una giunzione, se lo si desidera.
  5. Rimuovere il sensore del misuratore di potenza.
  6. Montare il piccolo specchio e la prima griglia del compressore sul tavolo ottico. Per ottenere la massima efficienza delle griglie del compressore, utilizzare il misuratore di potenza per monitorare la potenza del massimo di primo ordine regolando l'angolo incidente ruotando la griglia.
    NOTA: una fase di rotazione può essere utilizzata per controllare con precisione la rotazione. Poiché la perdita dovuta all'offset dell'angolo incidente è piccola, la fase di rotazione non viene utilizzata qui per ridurre i costi.
  7. Montare la fase di traslazione sul tavolo. Montare la seconda griglia del compressore sullo stage di traduzione. La distanza tra le griglie dovrebbe essere di circa 2 cm per una compressione ottimale con regolazione fine utilizzando la fase di traslazione. Assicurarsi che le griglie siano parallele.
  8. Montare lo specchio del compressore sul tavolo ottico. Questo specchio deve essere verticale e perpendicolare alla direzione di movimento della fase traslazionale.
  9. Montare il resto degli specchi, lo splitter trave e il collimator . L'allineamento verrà regolato in un secondo momento.
  10. Accendere il laser a pompa. Regolare il livello della pompa a meno di 0,5 W.
  11. Utilizzare un ambito IR per controllare la giunzione . Aggiungere l'indice corrispondente gel a tutti i punti luminosi.
    NOTA: La fase 5.11 deve essere eseguita regolarmente durante il normale utilizzo del laser.
  12. Allineare il compressore.
    1. Utilizzare una scheda IR per individuare la trave, regolare la posizione di e le gratings di compressione in modo che la trave di output attraversi le parti di compressione dell'impulso nella sequenza seguente: , , , , & lt;G1>, .
    2. Inclina leggermente verso l'alto per sollevare il fascio riflesso, facendolo passare sopra lo specchio di selezione impulsi .
      NOTA: può essere sostituito da un retroreflector in modo che il mirror pickoff non debba essere angolato. Cioè, il fascio riflesso sarà parallelo al fascio incidente, ma spostato, utilizzando uno specchio retroriflettente per semplificare l'impostazione.
  13. Allineare il collimatore con una trave di uscita dello splitter del fascio.
    1. Accendere l'OSA e impostare il dispositivo sulla modalità Power Meter.
    2. Regolare l'angolo dello specchio e del collimator per massimizzare l'input di potenza. La lettura dell'alimentazione deve essere superiore a -10 dBm.

6. Ottenere prestazioni bloccate in modalità con caratterizzazione dell'uscita dell'impulso laser

  1. Attivare l'OSC e impostare lo strumento sulla modalità di accoppiamento AC con il livello di trigger impostato su 30 mV.
  2. Spostare la fibra di input fotodiodo OSA per l'input monocromatico. Impostare il dispositivo sulla modalità OSA.
  3. Bloccare la fase del laser regolando le piastre d'onda15.
    1. Ruota di diversi gradi avanti e indietro. Lo spettro di bloccaggio della modalità è composto approssimativamente da due picchi stabili con un altopiano tra di loro (cioè una cosiddetta forma cat-ear o Batman). Nel frattempo, un treno a impulsi stabile può essere osservato sull'OSC.
    2. Se lo spettro di blocco della modalità non viene osservato, ruotare di diversi gradi in una direzione e ripetere il passaggio 6.3.1.
    3. Se lo spettro di blocco della modalità non può essere osservato ripetendo 6.3.2, ruotare di diversi gradi e ripetere il passaggio 6.3.2.
      NOTA: Ci sono diverse modalità caratteristiche dell'operazione laser che possono essere distinte osservando l'OSA: 1. Uno o due picchi stretti (1 nm). Si tratta di emissioni spontanee amplificate (ASE). 2. Un picco ampio (50 nm) rumoroso con linee rotte che appaiono in modo casuale. Si tratta di uno spettro PML (Partial Mode-lock). In questa modalità a impulsi simile al rumore l'intensità e la durata di ogni impulso variano, il che si traduce in una scarsa qualità dell'immagine a meno che non si integrino le fluttuazioni dell'impulso nei tempi di residenza dei pixel più lunghi. 17 3. Un picco dell'ASE con uno sfondo molto rumoroso costituito da molti picchi di bassa ampiezza. Questa è una modalità di commutazione Q non bloccata in modalità. In questa modalità, il blocco della modalità può spesso essere ottenuto ruotando su un piccolo angolo. 4. Lo spettro di bloccaggio della modalità a forma di Batman. Le "orecchie" hanno in genere diverse ampiezza con uno spettro piatto tra le caratteristiche taglienti del bordo. Davoudzadeh ealtri forniscono misurazioni dettagliate e risultati illustrativi per ciascuna di queste modalità di funzionamento17.
  4. Acquisire e analizzare lo spettro della radiofrequenza (RF).
    1. Scollegare il cavo BNC dall'OSC e collegarlo all'analizzatore dello spettro RF.
      NOTA: L'utilizzo di un adattatore a tee BNC non è raccomandato, perché il terreno forma un loop chiuso, che induce un'eco all'interno del circuito. L'analizzatore di spettro RF non è mostrato Figura 1, perché prende la stessa posizione di OSC quando in uso.
    2. Seguire il manuale di istruzioni dell'analizzatore dello spettro RF per individuare il picco dello spettro primario. La frequenza prevista approssimativa può essere calcolata in base al tempo tra due impulsi utilizzando l'OSC.
    3. Regolare delicatamente le piastre d'onda e il filtro birefranante per massimizzare il rapporto segnale-rumore, che è l'altezza del picco primario rispetto allo sfondo.
      NOTA: lo spettro RF di blocco della modalità deve essere un singolo picco senza lobi laterali. Per una migliore qualità di imaging, il SNR deve raggiungere almeno 70 dB. Lo spettro sull'OSA dovrebbe essere attentamente monitorato, tenendo traccia della forma spettrale di Batman, per garantire che il laser rimanga bloccato in modalità.
  5. Seguire le istruzioni del produttore per allineare e azionare l'autocorrelatore per misurare la durata dell'impulso. È possibile utilizzare la seconda uscita dallo splitter del fascio extra-cavity. Una volta misurata la durata dell'impulso, regolare attentamente la fase di traslazione su cui è montato per regolare la distanza tra le due griglie per regolare la durata dell'impulso.
    NOTA: per facilitare l'allineamento, è consigliabile montare il mirror e separatamente dalle due grate e dalla fase di traslazione in cui sono montate. Si noti inoltre che gli impulsi picosecondi sono osservati come un ampio piedistallo insieme a una funzione centrale di picco dell'impulso fs durante l'operazione parzialmente bloccata in modalità17.
  6. Aumentare gradualmente la potenza della pompa superiore a 0,5 W per trovare la potenza massima della pompa. Sono stati testati poteri fino a 5W dollari. Utilizzare l'ambito IR per osservare costantemente la fibra attiva <4>. Se appare un punto luminoso, la potenza della pompa è troppo alta all'interno della cavità, ed è probabile che bruci la fibra attiva a questo livello della pompa.
    NOTA: la potenza massima del sistema dipende dalla lunghezza della fibra attiva e dall'allineamento dei componenti dello spazio libero in cavità. I protocolli qui descritti raggiungono i poteri di uscita fino a 1 W senza la comparsa di macchie luminose o ustioni alla cavità, e questa potenza è più che sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di imaging. Poteri di uscita più elevati non sono stati testati, ma possono essere possibili, anche se è probabile che il multipulsio risulti16,17,18.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Risultati

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

È fondamentale verificare il funzionamento bloccato in modalità al completamento delle procedure di fabbricazione del laser a fibra. Le firme della generazione ottimale dell'impulso fs e della stabilità laser sono le seguenti: In primo luogo, l'impulso di uscita può essere sufficientemente caratterizzato dalla strumentazione delineata nel passaggio 6. L'uscita dello spettro dell'impulso dall'oscillatore laser deve essere centrata vicino a 1.070 nm con la caratteristica forma cat-ear o Bat...

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Discussione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I protocolli qui descritti sintetizzano il know-how e le competenze che sono state una pratica comune nel laboratorio di fisica laser per decenni, ma che spesso non è familiare a molti ricercatori biomedici. Questo lavoro cerca di rendere questa tecnologia laser a fibra ultraveloce più accessibile alla comunità più ampia. Il design laser in fibra ANDi è ben consolidato, come sviluppato per la prima volta in opere seminali da Wise e colleghi3. Tuttavia, le implementazioni di questa tecnologia da pa...

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non dichiarano interessi concorrenti.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ringraziamo i dottori E. Cronin-Furman e M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) per l'assistenza nell'acquisizione di immagini. Questo lavoro è stato sostenuto da National Institutes of Health Grant K22CA181611 (a B.Q.S.) e dalla Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (a B.Q.S.).

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Adattatori, specchi, montanti, supporti e stadi di traslazione (optomeccanica)ThorlabsTR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)Componenti ottici standard
Mannaia avanzata per fibre otticheAFLCT-100
AutocorrelatoreFemtocromoFR-103XL/IR/FA/CDA
Supporto per beamsplitterThorlabsBSH1/M
Giuntatrice a fusione di fabbricaAFLFSM-100P
Collimatori in fibraOZ Optics (Canada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
Rivelatore di fotodiodi ad alta velocità accoppiato in fibraThorlabsDET08CFC
Isolatore per spazio liberoThorlabsIO-5-1050-HP
Isolatore per spazio liberoThorlabsIO-3D-1050-VLP
Half waveplateUnion Optics (Cina)WPZ23122x
Modulo pompa in fibra multimodale ad alta potenzaGauss Lasers (Cina)Pompa-MM-976-10
Pompa ad alta potenza e combinatore di segnaliITF Technology (Canada)MMC02112DF1
Gel di corrispondenza dell'indiceThorlabsG608N3
Analizzatore di spettro otticoKeysightAgilent 70951B
OscilloscopioKeysightAgilent 54845A
Fibra passiva a doppio rivestimento(5/130 μ m)Tecnologia ITF (Canada)MMC02112DF13m, Incluso con combinatore
Beamsplitter polarizzatoreThorlabsPBS253
Piastre d'onda a quartiUnion Optics (Cina)WPZ43122x
Piastra filtrante birifrangente al quarzoNewlight (Canada)BIR1060
Analizzatore di spettro RFTektronixRSA306B
Fibra monomodale (6/125 μ m)OZ Optics (Canada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, Incluso con collimatori
Accoppiatore in fibra monomodaleAFW (Australia)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
Reticolo di diffrazione di trasmissione 1LightSmythT-1000-1040-3212-94Per compressore
Reticolo di diffrazione di trasmissione 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94Per compressore
Supporto di rotazione della piastra d'ondaThorlabsRSP1/M4x
a doppio rivestimento monomodale drogata con itterbioThorlabsYB1200-6/125DC3m
fibra

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Ristampe e permessi

Richiedi il permesso di riutilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE

Richiedi permesso

Tag

Giunzione di fibreCaratterizzazione dell impulsoAnalizzatore di spettro otticoMisurazione con autocorrelatoreMisurazione della durata dell impulsoApplicazioni cliniche

Articoli correlati