方法論記事

多光子顕微鏡用全常常分散フェムト秒ファイバーレーザーの低コストカスタム製造とモードロック動作

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DOI：

10.3791/60160

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2019年11月22日

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

この記事について

サマリー

多光子顕微鏡、内視鏡検査、光医学における潜在的な応用のためのカスタム低コスト、モードロックフェムト秒ファイバーレーザーを構築する方法が提示されています。このレーザーは市販の部品および基本的なスプライシング技術を使用して造られる。

要約

プロトコルは、カスタムの低コストでありながら高性能なフェムト秒(fs)ファイバレーザーを構築するために提示されます。この全常態分散(ANDi)イッテルビウムドープファイバーレーザーは、光ファイバーおよびポンプレーザー部品の8,000ドルに加え、標準光学部品とキャビティ付き外のアクセサリーに4,800ドルを含む市販部品を使用して完全に構築されています。光ファイバーデバイスの製造を初める研究者は、基本的なファイバースプライシングとレーザーパルス特性評価装置(~63,000ドル)への投資も検討する場合があります。最適なレーザー動作のために重要なのは、真と見かけ上(部分的またはノイズのような)モードロックされた性能を検証する方法が提示される。このシステムは、中心波長約1,070nm、パルス繰り返し速度31MHzで70fsパルス持続時間を達成します。このファイバーレーザーは、簡単に組み立てられるファイバーレーザーシステムのために得られるピーク性能を発揮し、この設計は、新しい実装を可能にするコンパクトでポータブルなfsレーザー技術の開発を目指す研究所にとって理想的です。臨床多光子顕微鏡およびfsの外科。

概要

固体フェムト秒(fs)パルスレーザーは、顕微鏡検査や生物学的研究に広く使用されています。代表的な例の1つは、光損傷メカニズムを最小限に抑えながらMPEプロセスを容易にするために高いピークパワーと低平均電力が望まれる多光子励起(MPE)蛍光顕微鏡の使用です。多くの高性能固体レーザーが市販されており、光学パラメトリック発振器(OPO)と組み合わせると、レーザー波長を広い範囲1で調整することができる。たとえば、商用オシレータ OPO システムは<120 fs パルス持続時間 (通常は 80 MHz パルス繰り返し速度) と >1 W の平均電力を 680 ~ 1,300 nm で生成します。しかし、これらの商業的な調整可能なfsレーザーシステムのコストは重要であり(>$200,000)、固体状態システムは一般的に水冷を必要とし、臨床応用には移植性がありません。

超短パルスファイバーレーザー技術は、ここ数年で成熟しています。市販のfsパルスファイバーレーザーのコストは、通常、固体レーザーよりも大幅に低いが、上述の固体システムによって提供される広い波長チューニングの能力を持たない。ファイバーレーザーは、必要に応じてOPOとペアリングすることができます(すなわち、ハイブリッドファイバソリッドステートシステム)。ファイバーレーザーシステムの大きな表面対体積比は、効率的な空冷2を可能にします。したがって、ファイバーレーザーは、比較的小さなサイズと簡素化された冷却システムにより、ソリッドステートシステムよりもポータブルです。さらに、繊維部品の融合スプライシングは、固体デバイスを構成する光学部品の自由空間アライメントとは対照的に、システムの複雑さや機械的ドリフトを低減します。これらの特徴のすべては臨床適用のための理想的な繊維レーザーを作る。実際、全繊維レーザーは低メンテナンス操作3、4、5用に開発されており、全偏光維持(PM)-ファイバレーザーは、温度や湿度の変化、機械的振動2、6、7、8などの環境要因に対して安定している。

ここでは、市販部品および標準的なファイバースプライシング技術を用いてコスト効率の高いfsパルスANDiファイバレーザーを構築する方法が提示される。パルス繰り返し速度、持続時間、および一貫性(フルモードロック)を特徴付ける方法も提示される。得られたファイバレーザーは、31 MHzの繰り返しレートと1,060~1,070 nmを中心とした波長で70fsに圧縮できるモードロックパルスを生成します。レーザーキャビティからの最大出力は約1Wです。ANDiファイバレーザーのパルス物理学は、飽和吸収体2、3、9、10、11の重要な構成要素として、光ファイバに固有の非線形偏光進化をエレガントに利用する。しかし、これは、ANDi設計がPMファイバを使用して容易に実装されないことを意味します(ただし、ANDiモードロックの全PMファイバ実装は報告されていますが、低消費電力とPSパルス持続時間12)。したがって、環境の安定性には重要なエンジニアリングが必要です。Mamyshev発振器のような次世代ファイバーレーザー設計は、キャビティ内パルスエネルギーの桁違いに増加する可能性のある全PMファイバデバイスとして完全な環境安定性を提供する可能性を秘め、パルス持続時間の大幅な低下を提供し、広いパルススペクトル13、14に依存するアプリケーションを可能にします。これらの革新的な新しいfsファイバーレーザー設計のカスタム製造には、ノウハウとファイバースプライシング体験が必要です。

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プロトコル

1. スプライス シングル モード ファイバ(SMF)

注: セクション 1 は、SMF をスプライスするための一般的な手順で構成されています。これは必須ではありませんが、安価な繊維を使用してファイバースプライスを練習するためのステップをお勧めします。このステップは、より貴重な光ファイバー材料を使用する前に、スプライシング装置の適切な性能を保証します。

  1. 最初の繊維を切断します。
    1. ファイバーストリッピングツールで繊維の約30mmを剥がします。壊れやすい繊維(例えば、二重クラッド繊維)の場合、カミソリブレードを使用して緩衝液を慎重に剥離することができます。
    2. エタノールまたはイソプロパノールとリントフリー組織を使用して、剥離繊維をきれいにします。繊維を拭くときのブンブン音は、繊維が十分にきれいであることを示す。
    3. ファイバーホルダーをファイバークリーバーに置きます。ブレード、クリーバのファイバークランプ、およびファイバーホルダーがすべて清潔であることを確認します。アルコール入りの綿棒は、クリーバーのこれらの部分をきれいにするために使用することができます。
    4. ファイバーホルダーに慎重にファイバーをロードします。約25mmのストリップを残し、クリーバーがクランプするためにフリーエンドにきれいな繊維を残します。
    5. クリーバーのファイバークランプをゆっくりと閉じます。繊維に余分な張力が加われないようにするには、クランプを再度開いて、テンションが解放されるようにします。
    6. 「カット」ボタンを押すと、クリーバーが自動的に繊維を切断します。
      メモ:ファイバーが清潔なままであることを確認するために、切断後にファイバチップに触れるものは何もありません。
    7. ファイバーホルダーをフュージョンスプライサーに移します。ピンセットを使用して、繊維から切り取った部分をシャープな処分容器に移動します。
      注意:ハードピンセットと鋭いピンセットの先端は、繊維を壊すことができます。光ファイバーを取り扱うための適切な間取りは、プラスチック製の丸みを帯びた先端を持っている必要があります。
  2. 2 番目のファイバーを切断します。
    1. もう一方のファイバ ホルダーを使用して、2 番目のファイバで手順 1.1 を繰り返します。スプライスされる2つの繊維は、ファイバースプライサー内のファイバーホルダーによって互いに互いに互いに互いに保持された切断された端で切断されるべきである。
    2. スプライサーのカバーを閉じます。
  3. フュージョンは繊維を散水させます。
    1. 核直径、モードフィールド直径(MFD)、クラッディング直径など、フュージョン スプライサーのパラメータを設定します。配置方法を [クラッディング] に設定します。
    2. スタートボタンを押すと、スプライサーが自動的に位置合わせされます。
      メモ:切断形状の不良や大きな切断角度に関するエラーメッセージが表示される場合があります。これは通常、切断後の繊維の切断または汚染が不十分なためです。この場合は、ファイバ切断手順を繰り返します。
    3. 各ストップでスタートボタンを押して、スプライスの品質を確認します。スプライスは自動的に行われます。
    4. スプライサーによって行われる品質管理チェックを介して、またスプライス領域のカメラビューを使用して、スプライスの品質を確認します。良好なスプライスは、スプライスジャンクチャーが見えないような繊維に沿って均一なクラッディング境界と均一な明るさを有する。
      注: ファイバー スプライサーには、スプライスを検査し、スプライス ジョイントを表示、イメージ、解析するためにファイバーに垂直なソースを使用して、繊維を通して測定されたジオメトリ、形状、および光屈折に基づいて電力損失を推定する光が含まれることがよくあります。もちろん、これは見積もりにすぎませんが、ほとんどの場合は十分です。同一の繊維の場合、スプライサーはこの損失を~0 dB(つまり検出可能な損失なし)と推定します。後述する異種繊維スプライスを用いた以前の結果から、電力損失のスプライサー推定値は0.07dB(スプライスポイントBおよびC、図1)から0.3dB(スプライスポイントD)の範囲である。これらの推定値は、ジオメトリの不一致と異種光ファイバの屈折による損失を過大評価する可能性が高く、欠陥オブジェクトとして誤って表示されます。
    5. スプライサーカバーを開き、ファイバーホルダーの1つを開きます。他のファイバーホルダーは、スプライスされたファイバーがスプライサーから取り外されるまで開けないでください。
    6. オプションとして、スプライスを保護するために繊維スリーブを追加してもよい。スプライサーのヒーターは、繊維にスリーブを成形するために使用され得る。あるいは、熱風銃を使用してもよい。
      注: 2 つのファイバーが非常に長い場合、または他のコンポーネントに取り付けられている場合は、スリーブを切断する前にいずれかのファイバーに置き、スプライシング ポイントに移動できます。ファイバースリーブは、電子回路の熱収縮チューブのように機能します。これは、曲げまたは引っ張り力からスプライシングポイントを保護するために使用することができます。ファイバーリコーターは、スプライスポイントを機械的損傷に最大限に保護するためにスプライスポイントを再コーティングするために代わりに使用することができますが、この装置は容易に入手できない場合には購入する必要があるため、かなりの追加費用がかかります。

2. 繊維部品を組み立てる

  1. ポンプ信号コンバイナのポンプ入力 <2> を使用してポンプ出力ファイバー <1> をスプライスします (ファイバー レーザー図の図 1を参照)。
    1. セクション 1 に従って、ファイバーを切断してスプライスします。手動で入力する必要があるファイバ パラメータ(2-A および 2-B)を除き、プログラム BASIC I SP のデフォルト設定を使用します。入力する必要があるスプライシング パラメータは、表 1にあります。
  2. コンバイナー出力 <3> を Yb ドットアクティブ ファイバにスプライスします。
    1. 手順 1.1 に従って、コンバイナー出力ファイバー <3> を切断します。
    2. アクティブなファイバ <4> を切断します。
      メモ:アクティブファイバ<4>には八角形クラッディングがあるため、ファイバクリーバのV溝には適合しません。したがって、ステップ1.1で説明した単純な切断は、比較的大きな切断角度を生成します。したがって、次の手順は、同じ機器を使用してフラット切断角度を達成するための特別なプロトコルの概要を示します。
      1. セクション 1 に従って、アクティブ ファイバ <4> と 6/125 SMF を切断してスプライスします。この SMF は後で取り外され、レーザーには組み込まれません。したがって、この切断角度の品質が悪い場合は許容されます。このステップでは、平らな切断角度を取得することは重要ではありません。
      2. ワイヤーカッターでスプライシングポイントから約2cmのSMFをカットします。
      3. SMF の全長を取り除き、アクティブなファイバーを別の 0.5 cm に取り除きます。これで、アクティブ ファイバは 2 cm のバッファレス SMF でキャップされます。
      4. 手順 1.1.3-1.1.5 と同様に、アクティブ なファイバをクリーバにロードします。円形クラッディングを持つ SMF のみがファイバー クランプによってクランプされていることを確認します。
      5. 手順 1.1.6 および 1.1.7 に従って、アクティブなファイバ <4> を切断します。SMFのみがV溝にあるので、この切断は最小限の切断角度を生成します。
    3. 手順 1.3 に従って、ファイバーをスプライスします。
  3. アクティブファイバ <4> の遠位端からの総電力出力を大まかに測定します。
    1. アクティブファイバー <4> をスプライス ポイント から約 3 m でカットします。より長いアクティブな繊維はより高い出力電力のために使用することができるが、空洞の長さの増加のために繰り返し速度が減少する。
    2. 手順 1.1 で説明したように、末尾 <4C> をクリーブします。
      メモ:次のステップでの電力測定は推定されるため、ステップ2.2.2で説明した方法を使用する必要はありません。
    3. ファイバーをパワーメーターの方に向け、ファイバーとパワーメーターを物理的に接触せずに一緒に持って来ます。
      警告: 光力がセンサーの小さなポイントに集中するので、ファイバーの先端をパワーメーターの近くに置きすぎると、パワーメーターセンサーが損傷する可能性があります。これを回避するには、信頼性の高い最小ポンプ電力を使用します。
    4. 電源メーターから出力を読み取ります。大きい (>80%)効率スループットは、ポイント および で十分な品質スプライスを示します。
      注:アクティブなファイバの吸収と、手順2.3.2~2.3.3で説明したように、電源メーターへのカップリング方式の非効率性により、電力損失が発生するのが普通です。
  4. アクティブなファイバ <4> をコリメータ の入力 <5> にスプライスします。
    1. 手順 2.2.2 に従って、最後のアクティブ ファイバ <4> を切断し、コリメータにスプライスします。
    2. コリメータ <5> の入力を約 40 cm に切り取ります。
      注: 増幅パルスは自己相変調(SPM)とグループ速度分散(GVD)の増加により時間とスペクトル領域で大幅に広がるので、パッシブファイバ(<5>)の長さ(>40 cm)は長すぎないようにする必要があります。ゲインファイバ(パルス増幅)を通過する後の通路。これらの効果は、パルス圧縮の難易度を高める。
    3. 手順 1.1 および 1.3 に従ってコリメータ入力 <5> を切断し、アクティブファイバとコリメータ ファイバをスプライスします。
      メモ:SMFに対する二重クラッドファイバーのこのスプライススプライスは、以前のスプライスよりも低い品質で見えるかもしれません。ただし、パルスはコア内で伝播するため、実際のパフォーマンスはコアアライメントのみに依存します。
  5. コンバイナの信号入力ファイバ <7> に対する第 2 コリメータ のスプライス ファイバ <6>
    1. セクション 1 に従って、ファイバーを切断してスプライスします。

3. 光ディスクテーブルにファイバー部品を取り付ける

  1. ポンプレーザーをネジと必要なクランプで光学テーブルに取り付けます。
  2. ポンプ信号コンバイナをクランプ付きの光学テーブルに取り付けます。光テーブルはコンバイナのヒートシンクとして機能するため、コンバイナとテーブルの間にサーマルペーストを使用できます。
  3. ファイバーをテーブルの上に置きます。ファイバ 1、2、3、5、6、および 7 は個別にコイルしてスペースを節約できますが、アクティブ ファイバ 4 は曲率の半径 >20 cm で緩く巻き付ける必要があります。
    注意: アクティブファイバの強い曲がりによって、ポンプ信号がアクティブなファイバの内側のクラッディングから抜け出す可能性があります。これにより、新しいアクティブ ファイバのインストールが必要になるアクティブ ファイバに沿った致命的なバーン ポイントが作成される可能性があります。
  4. インデックスマッチングゲルをスプライス に適用します。インデックスマッチングゲルは、スプライスポイントでの熱および熱損傷の発生を低減するために、活性繊維からポンプ光を導くために使用されます。なお、繊維を塗り直す必要はない。熱損傷のリスクを最小限に抑えるために、光ファイバーを裸のままにしてインデックスマッチングゲルにコーティングしておくのが好ましい。
  5. オプトメカニカル部品を使用して、2 つのコリメータ および をオプティカル テーブルに取り付け、固定します。コリメータは、約 35 cm の分離で互いに向き合い、キャビティ内の空き領域コンポーネントを挿入するための十分なスペースを提供する必要があります。

4. フリースペース部品を組み立てる

  1. ポンプレーザーをオンにします。電源を 0.5 W に設定します (つまり、モード ロックのしきい値を超えても、システム コンポーネントを整列するための安全な電源)。
    警告:この時点で、実験室スペースはクラスIVレーザー認定を受け、レーザー安全ゴーグルを着用する必要があり、担当者はクラスIVレーザートレーニングを受けている必要があります。
  2. 赤外線 (IR) スコープを使用して、スプライス ポイント を確認します。これらのリスクポイントで光の脱出を助けるために、IRスコープ(熱損傷の潜在的なポイントを示す)を通して見られる任意の明るいスポットにインデックスマッチングゲルを適用します。
  3. 2 つのコリメータの位置を調整して、互いを直接向けるようにします。IR表示カードを使用すると、コリメータの入口開口部で中央のビームアライメントを支援できます。
  4. 偏光ビームスプリッタ(PBS)をから6cm離れた場所に取り付けます。反射したレーザー出力ビームのパワーを連続的に測定できるように、パワーメータのセンサーを取り付けます。パワーメーターの波長は1,060 nmに設定する必要があります。0.5 W ポンプパワーの一般的な開始電力読み取り値は、アライメント前に約 50 mW です。
  5. コリメータマウントのネジを調整して、パワーメータの読み取り値を上げます。出力電力が約150mWの最大値に達するまで微調整を続け、優れたアライメントを示します。
    メモ:この手順では、多くの場合、時間がかかる慎重かつ忍耐強い調整が必要です。体系的な体系的な手順に従うのが最も効率的です:まず、2つのコリメータ上の同じ方向(XまたはY)に角度を調整する2本のネジを回転させ、一方のネジは一方の方向に非常にゆっくりと回転し、もう一方のネジはすべてをスキャンするために高速に回転します。合理的な角度。パワーメーターからの最大読み取り値を追跡し続けます。最大電力が見つかったら、ネジに切り替え、別の方向に調整します。上記の低速回転と高速スキャンを繰り返します。両方のコリメータ内のレンズからの反射により、コリメータを整列させながら複数の局所的なマキシマを観察することが可能です。実際の最大電力は、局所マキシマ(70~80mW)と比較してはるかに大きくなります(150mW)。
  6. からアイソレータ 3 cmを取り付けます。コリメータの方向をもう一度調整して、フリー スペース コンポーネントを位置合わせし、出力電力を最大化します。アイソレータの存在はビームアライメントをわずかに偏向させるかもしれませんが、最大出力電力はコリメータに微調整することで回復します。
  7. 複屈折フィルタ 、ハーフウェーブ プレート 、および 2 つの四半期波プレート ( および ) を図 1に示す対応する位置にマウントします。複屈折フィルタは、2つの偏光子1つ()の前と後(内)の間に挟まれ、シヌソイドバンドパスフィルタ効果を作成します。波長範囲を制御するには、 の入射角度が小さい (3°-5°) である必要があります。出力電力が最大値に達するまで、コリメータの位置合わせをもう一度調整します。

5. キャビティ外コンポーネントの設定

  1. 光ファイバ コネクタ (FC) または Subミニチュア バージョン A (SMA) コネクタを使用して、スプリッタの 3 つのポート (図 1)をすべてスプライスします。コネクタの種類は、フォトダイオードの入力ポートと光スペクトルアナライザ(OSA)によって異なります。スプライスステップは、上記のセクション1で説明したものと同じです。
  2. スプリッターの1つの出力をOSAのフォトダイオード入力ポートに接続し、もう一方の出力をFCコネクタを使用してフォトダイオードに接続します。
  3. フォトダイオード出力ポートをベヨネ・ニール・コンセルマン(BNC)ケーブルでオシロスコープ(OSC)に接続します。
  4. コリメータ をスプリッタの入力ポートに接続します。
    注 : コネクタを使用して分割線と を接続すると便利です。この接続は、必要に応じてスプライスに置き換えることができます。
  5. パワーメータセンサーを取り外します。
  6. 小さなミラー と最初のコンプレッタ グレーティング を光学式テーブルに取り付けます。コンプレッサーグレーティングの最大効率を達成するには、パワーメータを使用して、グレーティングを回転させて入射角度を調整しながら、最初の注文最大の電力を監視します。
    注: 回転ステージを使用して、回転を正確に制御できます。入射角度オフセットによる損失が小さいため、ここでは回転ステージを使用してコストを削減しません。
  7. テーブルに翻訳ステージをマウントします。翻訳段階で 2 番目のコンプレッサー グレーティング をマウントします。グレーティング間の距離は、移動段階を使用した微調整で最適な圧縮のために約2cmでなければなりません。格子が平行であることを確認します。
  8. コンプレッサーミラー を光学式テーブルに取り付けます。このミラーは、移動段階の移動方向に垂直かつ垂直である必要があります。
  9. 残りのミラー、ビームスプリッタ、コリメータ を取り付けます。配置は後で調整されます。
  10. ポンプレーザーをオンにします。ポンプレベルを0.5W未満に調整します。
  11. IR スコープを使用して、スプライス を確認します。任意の明るいスポットにインデックスマッチングゲルを追加します。
    メモ:ステップ5.11は、レーザーの通常の使用中に定期的に行う必要があります。
  12. コンプレッサーを合わせます。
    1. IR カードを使用してビームを配置し、の位置を調整し、圧縮グレーティングを使用して、出力ビームがパルス圧縮部品を次の順序で通過するようにします。、、。
    2. を少し上げて反射ビームを上げ、パルスピッカーミラー の上に通過します。
      注: は、ピックアップ ミラー をアングルする必要がないように、レトロリフレクターに置き換えることができます。つまり、反射ビームは入射ビームに平行になりますが、再帰反射ミラーを使用してセットアップを簡素化します。
  13. コリメータをビームスプリッタの1つの出力ビームに位置合わせします。
    1. OSAの電源を入れ、デバイスをパワーメータモードに設定します。
    2. ミラー とコリメータの角度を調整して、電源入力を最大化します。電源の読み取り値は -10 dBm を超える必要があります。

6.レーザーパルス出力の特性を高めたモードロック性能の向上

  1. OSCの電源を入れ、トリガレベルを30mVに設定して、計測器をACカップリングモードに設定します。
  2. OSAフォトダイオード入力ファイバを単色入力に移動します。デバイスを OSA モードに設定します。
  3. 波板15を調整してレーザーの位相をロックする。
    1. を数回前後に回転します。モードロックスペクトルは、大まかに2つの安定したピークで構成され、その間に高原(いわゆる猫耳またはバットマン形状)があります。一方、OSCでは安定したパルス列を観測できます。
    2. モードロックスペクトルが見えない場合は、を一方向に数度回転させ、ステップ6.3.1を繰り返します。
    3. モードロックスペクトルを6.3.2繰り返しても観察できない場合は、を数度回転させ、ステップ6.3.2を繰り返します。
      注:OSA:1.1または2つの狭い(〜1 nm)ピークを観察することによって区別することができるレーザー操作のいくつかの特徴的なモードがあります。これらは、増幅された自発的な放出(ASE)です。2. 広い(〜50 nm)の騒々しいピークで、破線がランダムに現れます。これは部分モード ロック(PML)スペクトルです。このノイズのようなパルスモードでは、各パルスの強度と持続時間が変化するため、ピクセルの滞留時間を超えるパルス変動を統合しない限り、画質が低下します。17 3.多くの低振幅ピークからなる非常に騒がしい背景を持つ1つのASEピーク。これは非モードロック Q スイッチング モードです。このモードでは、 を小さな角度で回転させることで、モード ロックを実現できることがよくあります。4.バットマン形状モードロックスペクトル。「耳」は、通常、鋭いエッジフィーチャ間の平坦なスペクトルを持つ異なる振幅を持っています。ダブザデら操作17のこれらのモードのそれぞれについて詳細な測定および例示結果を提供する。
  4. 無線周波数(RF)スペクトルを取得して解析します。
    1. OSC から BNC ケーブルを取り外し、RF スペクトラム アナライザに接続します。
      メモ:地面は閉じたループを形成し、回路内にエコーを誘発するため、BNCティーアダプタの使用はお勧めしません。RFスペクトラムアナライザは、使用時にOSCと同じ位置をとるので、図1には示されていません。
    2. RFスペクトラムアナライザの取扱説明書に従って、プライマリスペクトルピークを見つけます。おおよその予想周波数は、OSCを使用して2つのパルス間の時間に基づいて計算することができます。
    3. 波板と複屈折フィルタをゆっくりと調整し、背景に対する一次ピークの高さである信号対雑音比を最大化します。
      注: モード ロック RF スペクトルは、サイド ローブのない単一のピークである必要があります。最高のイメージング品質を得するには、SNR が少なくとも 70 dB に達する必要があります。OSAのスペクトルは慎重に監視し、バットマンのスペクトル形状を追跡して、レーザーがモードロックされたままであることを確認する必要があります。
  5. 製造元の指示に従ってオートコレレータを調整して操作し、パルス持続時間を測定します。余分なキャビティビームスプリッタからの2番目の出力を使用することができます。パルス持続時間を測定したら、が取り付けられている移動ステージを慎重に調整し、2つの格子間の距離を調整してパルスの持続時間を調整します。
    注: 整列を容易にするには、ミラー と を、2 つのグレーティングとそれらがマウントされる翻訳ステージとは別にマウントすることをお勧めします。また、ピコ秒パルスは、部分的にモードロック操作17中に中央fsパルスピーク機能と共に広範な台座として観察されることに注意してください。
  6. 徐々に最大ポンプパワーを見つけるために、0.5 W以上のポンプパワーを増加させます。最大~5Wのパワーがテストされています。IR スコープを使用して、アクティブなファイバ <4> を常に監視します。明るいスポットが現れた場合、ポンプの電力は空洞内で高すぎて、このポンプレベルでアクティブな繊維を燃やす可能性があります。
    メモ:システムの最大電力は、アクティブなファイバの長さとキャビティ内のフリースペースコンポーネントの位置合わせによって異なります。ここで説明するプロトコルは、明るいスポットやキャビティへの火傷の出現なしに最大1Wの出力電力に達し、この電力は、ほとんどのイメージングアプリケーションで十分以上です。より高い出力電力はテストされませんでしたが、マルチパルスは16、17、18の結果をもたらす可能性がありますが、可能かもしれません。

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結果

ファイバーレーザー製造手順の完了時にモードロック動作を確認することが重要です。最適なfsパルス生成およびレーザー安定性のシグネチャは以下の通りである:まず、出力パルスは、ステップ6で概説された計装によって十分に特徴付けされ得る。レーザー発振器からのパルススペクトル出力は、ANDiパルス物理学15の数値シミュレーションによって予測されるモードロックを示す特徴的なキャットイヤーまたはバットマン形状で1,070nm付近の中心にする必要があります(図2A)。特性スペクトルはパルスコハーレンスの優れた指標ですが、フルモードロック、安定性、および予想されるレーザー性能を確保するために追加のテストが保証されます。モードロックのさらなる診断として、パルス持続時間とパルス繰り返し電力スペクトルは、それぞれオートコレレータとRFスペクトルアナライザを使用して測定されます。台座のない単一のピークはモードロック操作の間両方の測定のために期待される。自己相関...

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ディスカッション

ここで概説するプロトコルは、レーザー物理学研究所で何十年も一般的であったノウハウと専門知識を合成していますが、多くの生物医学研究者にはよく知られていないものです。この研究は、この超高速ファイバーレーザー技術をより広範なコミュニティにアクセスできるようにしようとします。ANDiファイバーレーザー設計は、ワイズと同僚3によるセミナル作品で最初に開発されたように、確立されています。しかし、他のグループによるこの技術の実装は、時には適切に動作しないレーザーの報告をもたらし、パルス特性評価とモードロック操作の非自明な側面で生物医学研究者をさらに教育する必要性を示しています。

カスタムレーザー加工と操作は、一般的にレーザーの操作と安全性に精通していない実験室には適していません。レーザー安全トレーニングと危険の考慮は、クラス4レーザーの建設を試みる前に不可欠です。レーザーシステムが開いているため、2つの主要な反射ビーム(圧縮機格子とインキャビティPBSから来る)と、ブロックする必要がある他の光学系からのいくつかのマイナーな反射があります。位置合わせ...

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開示事項

著者たちは競合する利害関係を宣言しない。

謝辞

E・クロニン・ファーマン博士とM・ワイツマン博士(米州科学ソリューショングループのオリンパス・コーポレーション)に、画像取得の支援をいただき、感謝申し上げます。この研究は、国立衛生研究所補助金K22CA181611(B.Q.S.へ)とリチャード・アンド・スーザン・スミス家族財団(ニュートン、M.A.)によって支援されました。スミス・ファミリー・アワード・オブ・バイオメディカル・リサーチ優秀賞(B.Q.S.へ)

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
アダプター、ミラー、ポスト、マウント、並進ステージ(オプトメカニクス)ThorlabsTR6-P5 (3x)、AD12NT (2x)、PFSQ20-03-M01、PFSQ05-03-M01、KMS、KM100C、KM100CL、KM200S、LT1、LT101、UPH2-P5、UPH3-P5 (2x)標準光学部品
高度な光ファイバークリーバーAFLCT-100
オートコリレーターフェムトクロムFR-103XL/IR/FA/CDA
ビームスプリッターマウントThorlabsBSH1/M
工場融合接続機AFLFSM-100P
ファイバーコリメータOZ Optics (カナダ)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
ファイバー結合高速フォトダイオード検出器ThorlabsDET08CFC
フリースペースアイソレータThorlabsIO-5-1050-HP
フリースペースアイソレーターThorlabsIO-3D-1050-VLP
半波長板Union Optics (中国)WPZ23122x
高出力マルチモードファイバーポンプモジュールGauss Lasers (中国)Pump-MM-976-10
高出力ポンプおよび信号コンバイナーITF Technology (カナダ)MMC02112DF1
インデックスマッチングゲルThorlabsG608N3
光スペクトラムアナライザKeysightAgilent 70951B
オシロスコープKeysightAgilent 54845A
パッシブダブルクラッドファイバー(5/130 μm)ITF Technology (カナダ)MMC02112DF1 3m、コンバイナーに付属
偏光ビームスプリッターThorlabsPBS253
Quarter 波長板Union Optics (中国)WPZ43122x
Quartz 複屈折フィルタープレートNewlight (カナダ)BIR1060
RF スペクトラム・アナライザーTektronixRSA306B
シングルモードファイバー(6/125 μm)OZ Optics (カナダ)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m、コリメータ付属
シングルモードファイバーカプラーAFW(オーストラリア)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
トランスミッション回折格子 1LightSmythT-1000-1040-3212-94コンプレッサー用
トランスミッション回折格子 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94コンプレッサー
波長板回転マウントThorlabsRSP1/M4x
イッテルビウムドープ シングルモード ダブルクラッドファイバーThorlabsYB1200-6/125DC3m

参考文献

  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).

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