Methodenartikel

Goedkope Custom fabricage en modus-vergrendelde werking van een all-Normal-dispersie Femtosecond Fiber laser voor Multiphoton microscopie

7.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60160

⸱

22 november 2019

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

In dit artikel

Samenvatting

Een methode wordt gepresenteerd voor het bouwen van een aangepaste lage kosten, modus-vergrendelde femtosecondelaser Fiber laser voor potentiële toepassingen in multiphoton microscopie, endoscopie, en photomedicine. Deze laser is gebouwd met behulp van commercieel verkrijgbare onderdelen en elementaire splicing technieken.

Samenvatting

Een protocol wordt gepresenteerd voor het bouwen van een aangepaste Low-cost nog high-performance femtosecondelaser (FS) Fiber laser. Deze all-Normal-dispersie (ANDi) ytterbium-doped Fiber laser is volledig gebouwd met behulp van commercieel verkrijgbare onderdelen, waaronder $8.000 in Fiber Optic en pomp Laser componenten, plus $4.800 in standaard optische componenten en extra-holte accessoires. Onderzoekers nieuw voor Fiber Optic apparaat fabricage kunnen ook overwegen te investeren in basis vezel splicing en laser Pulse karakterisatie apparatuur (~ $63.000). Belangrijk voor een optimale werking van de laser, methoden om te controleren waar versus schijnbare (gedeeltelijke of ruis-achtige) modus vergrendelde prestaties worden gepresenteerd. Dit systeem behaalt 70 FS pulsduur met een middengolf lengte van ongeveer 1.070 nm en een puls herhalingssnelheid van 31 MHz. Deze fiber Laser vertoont de piekprestaties die kunnen worden verkregen voor een eenvoudig geassembleerd Fiber lasersysteem, waardoor dit ontwerp ideaal is voor onderzoeklaboratoria gericht op het ontwikkelen van compacte en draagbare FS-Laser technologieën die nieuwe implementaties van klinische multiphoton microscopie en FS chirurgie.

Inleiding

Solid State femtosecondelaser (FS) gepulseerde lasers worden veel gebruikt voor microscopie en biologisch onderzoek. Een typisch voorbeeld is het gebruik van multiphoton excitatie (MPE) fluorescentiemicroscopie, waarbij een hoog piekvermogen en een laag gemiddeld vermogen gewenst zijn om het MPE-proces te vergemakkelijken, terwijl fotoschade mechanismen worden geminimaliseerd. Veel high-performance Solid-State lasers zijn commercieel beschikbaar, en in combinatie met een optische parametrische oscillator (OPO), kan de laser golflengte worden afgesteld over een breed bereik1. Bijvoorbeeld, commerciële oscillator-OPO systemen genereren < 120 FS puls duur (meestal met een 80 MHz puls herhaling snelheid) en > 1 W gemiddelde vermogen van 680 tot 1.300 nm. De kosten van deze commerciële tunable FS-lasersystemen zijn echter significant (> $200000), en Solid-State systemen vereisen over het algemeen Waterkoeling en zijn niet draagbaar voor klinische toepassingen.

Ultra Short gepulseerde Fiber lasertechnologie is de afgelopen jaren gerijpt. De kosten van een commerciële FS gepulseerde Fiber laser is meestal aanzienlijk lager dan Solid-State lasers, zij het zonder de mogelijkheid van brede golflengte tuning geboden door de Solid-State Systems bovengenoemde. Merk op dat fiberlasers kunnen worden gekoppeld met OPOs wanneer gewenst (dat wil zeggen, hybride vezel-Solid-State systemen). De grote oppervlakte-volume verhouding van Fiber lasersystemen maakt efficiënte luchtkoeling mogelijk2. Daarom zijn fiberlasers draagbaarder dan Solid-State systemen vanwege hun relatief kleine omvang en vereenvoudigd koelsysteem. Verder vermindert fusie splitsing van de vezel componenten de complexiteit van het systeem en de mechanische drift in tegenstelling tot de vrije ruimte-uitlijning van de optische componenten die Solid-State apparaten maken. Al deze functies maken fiberlasers ideaal voor klinische toepassingen. Eigenlijk, alle-fiberlasers zijn ontwikkeld voor onderhoudsarme werking3,4,5, en all-polarisatie-onderhoud (PM)-fiberlasers zijn stabiel voor omgevingsfactoren, met inbegrip van veranderingen in temperatuur en vochtigheid, alsmede mechanische trillingen2,6,7,8.

Hier wordt een methode gepresenteerd voor het bouwen van een kostenefficiënte FS gepulseerde ANDi Fiber laser met commercieel beschikbare onderdelen en standaard Fiber splicing technieken. Methoden voor het karakteriseren van puls herhalingssnelheid, duur en coherentie (Full-mode-Lock) worden ook gepresenteerd. De resulterende Fiber Laser genereert modus-vergrendelde pulsen die kunnen worden gecomprimeerd tot 70 FS met een herhalingssnelheid van 31 MHz en een golflengte gecentreerd op 1.060 tot 1.070 nm. Het maximale uitgangsvermogen van de laser holte is ongeveer 1 W. De Pulse Physics van Andi fiberlasers maakt elegant gebruik van niet-lineaire polarisatie evolutie intrinsiek aan glasvezel als een belangrijk onderdeel van de verzadigbare Absorber2,3,9,10,11. Dit betekent echter dat het ANDi-ontwerp niet gemakkelijk wordt geïmplementeerd met behulp van PM-vezels (hoewel een all-PM Fiber-implementatie van ANDi-modus vergrendeling is gerapporteerd, zij het met laag vermogen en PS Pulse-duur12). Milieu stabiliteit vergt dus een aanzienlijke engineering. De volgende generatie Fiber Laser ontwerpen, zoals de Mamyshev oscillator, hebben het potentieel om volledige milieu stabiliteit te bieden als all-pm-Fiber apparaten die een orde-van-magnitude toename van de intracavity Pulse energie kunnen, evenals het aanbieden van significante dalingen in de pulsduur om toepassingen mogelijk te maken die afhankelijk zijn van Broad Pulse Spectra13,14. Aangepaste fabricage van deze innovatieve nieuwe FS Fiber Laser ontwerpen vereist knowhow en Fiber splicing ervaring.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Splice single mode vezels (SMF)

Opmerking: sectie 1 bestaat uit algemene stappen voor splice SMFs. Dit is een niet-essentiële, maar aanbevolen stap voor het beoefenen van Fiber splitst met goedkope vezels. Deze stap zorgt voor een goede werking van de splicing apparatuur voordat u meer waardevolle Fiber Optic materialen gebruikt.

  1. Kleef de eerste vezel.
    1. Strook ongeveer 30 mm van de vezel met een Fiber stripgereedschap. Voor fragiele vezels (bijv. dubbele beklede vezels) kan een scheermesje worden gebruikt om de buffer voorzichtig af te pellen.
    2. Gebruik pluisvrij weefsel met ethanol of isopropanol om de gestripte vezels te reinigen. Een zoemend geluid bij het afvegen van de vezel geeft aan dat de vezel voldoende schoon is.
    3. Plaats de vezel houder op de fiber Cleaver. Zorg ervoor dat het blad, de vezel klem van het hakmes en de vezel houder allemaal schoon zijn. Wattenstaafjes met alcohol kunnen worden gebruikt om deze delen van het hakmes te reinigen.
    4. Laad de vezels voorzichtig in de vezel houder. Laat ongeveer 25 mm gestripte, schone vezels achter aan het vrije uiteinde van de Cleaver om te klemmen.
    5. Sluit de vezel klem op het hakmes voorzichtig. Om extra spanning op de vezel te voorkomen, heropenen, en sluit de klem zodat de spanning wordt losgelaten.
    6. Druk op de "Cut" knop en de Cleaver zal de vezel automatisch klieven.
      Opmerking: om ervoor te zorgen dat de vezel schoon blijft, niets moet de fiber Tip aanraken na het cleaving.
    7. Breng de fiber houder over naar de Fusion Splicer. Gebruik pincet om het stuk afgesneden van de vezel te verplaatsen naar een naaldencontainer voor scherpe voorwerpen.
      Let op: harde pincet en scherpe pincet tips kunnen de vezels breken. Een geschikte pincet voor het hanteren van glasvezel optiek moet plastic, afgeronde uiteinden hebben.
  2. Kleef de tweede vezel.
    1. Herhaal stap 1,1 op de tweede vezel met de andere vezel houder. De twee te splitsen vezels moeten worden gespleten met de gespleten uiteinden die tegen elkaar worden gehouden door de vezel houders binnen de fiber Splicer.
    2. Sluit de afdekking van de Splicer.
  3. Fusion splice de vezels.
    1. Stel de parameters in op de Fusion Splicer, inclusief de kern diameter, de modus veld diameter (MFD) en de bekledings diameter. Stel de uitlijnings methode in op gevelbekleding.
    2. Druk op de startknop en de Splicer wordt automatisch uitgelijnd.
      Opmerking: het is mogelijk om foutmeldingen te krijgen met betrekking tot een slechte klieven-vorm of grote klieven-hoek. Dit is meestal te wijten aan een slechte klieven of besmetting van de vezels na de Kleef. Als dit gebeurt, herhaalt u de fiber klieft procedure.
    3. Druk op de startknop bij elke Stop om de kwaliteit van de Splice te bevestigen. De Splice wordt automatisch uitgevoerd.
    4. Controleer de kwaliteit van de Splice via de kwaliteitscontrole controles uitgevoerd door de Splicer en met behulp van de cameraweergave van de Splice-regio. Een goede Splice heeft een uniforme bekledings grens en uniforme helderheid langs de vezel, zodat er geen Splice junctuur zichtbaar is.
      Opmerking: vezel plakpersen bevatten vaak optica om de Splice te inspecteren en om het vermogensverlies te schatten op basis van de gemeten geometrie, vorm en lichte refractie door de vezel met behulp van een loodrecht op de vezel om de Splice joint te bekijken, te bekijken en te analyseren. Natuurlijk is dit slechts een schatting, maar het is in de meeste gevallen voldoende. Voor identieke vezels zal de Splicer dit verlies schatten als ~ 0 dB (d.w.z. geen detecteerbaar verlies). Uit eerdere resultaten met de ongelijksoortige vezel splitst zoals hieronder beschreven, de Splicer schattingen van de vermogensverliezen variëren van 0,07 DB (Splice punten B en C, Figuur 1) tot 0,3 dB (Splice Point D). Deze schattingen overschatten hoogstwaarschijnlijk het verlies als gevolg van niet-overeenkomende geometrie en breking van de ongelijksoortige glasvezel optiek, die ten onrechte als defect objecten worden weergegeven.
    5. Open de Splicer cover en open vervolgens een van de fiber houders. De andere vezel houder mag niet worden geopend totdat de gesplitste vezel uit de Splicer is verwijderd.
    6. Als optie kan een glasvezel huls worden toegevoegd om de Splice te beschermen. De kachel op de Splicer kan worden gebruikt om de huls op de vezel te gieten. Er kan ook een Heteluchtpistool worden gebruikt.
      Opmerking: als de twee vezels erg lang zijn of aan andere componenten zijn bevestigd, moet de huls vóór het cleaving op een van de vezels worden gelegd en vervolgens kan deze naar het splicing punt worden verplaatst. De fiber Sleeve fungeert als een Krimpkous in elektronische circuits. Het kan worden gebruikt om het splicing punt te beschermen tegen een buig-of trekkracht. In plaats daarvan kan een glasvezel worden gebruikt om de Splice Point te overdoen voor maximale bescherming van het Splice punt tot mechanische schade, zij het tegen een aanzienlijke extra kosten omdat deze apparatuur moet worden aangeschaft als deze niet direct beschikbaar is.

2. de vezel delen monteren

  1. Splice de pomp output Fiber < 1 > met de pomp ingang < 2 > van de pomp signaal combiner (Zie het Fiber Laser diagram, Figuur 1).
    1. Volg sectie 1 om de vezels te klieven en te splice. Gebruik de standaardinstelling van het programma BASIC I SP, met uitzondering van de fiber parameters (2-A en 2-B) die handmatig moeten worden ingevoerd. De splicing parameters die moeten worden ingevoerd kunnen worden gevonden in tabel 1.
  2. Splice de combiner uitgang < 3 > naar de YB-doped actieve vezel.
    1. Volg stap 1,1 om de combiner output Fiber < 3 > te klieven.
    2. Kleef de actieve vezel < 4 >.
      Opmerking: omdat de actieve vezel < 4 > een achthoekige bekleding heeft, past deze niet in de V-groef van het Fiber Cleaver. Daarom zal een eenvoudige klieven zoals beschreven in stap 1,1 een relatief grote klieven-hoek opleveren. De volgende stappen schetsen dus een speciaal protocol om een vlakke klieven-hoek te bereiken met dezelfde apparatuur.
      1. Volg sectie 1 om de actieve vezel < 4 > en een stuk 6/125 SMF te klieven en te splice. Dit SMF wordt later verwijderd en is niet opgenomen in de laser. Daarom is het aanvaardbaar als de kwaliteit van deze klieven hoek slecht is. Het is niet belangrijk om voor deze stap een vlakke klieven-hoek te verkrijgen.
      2. Snijd de SMF ongeveer 2 cm van het splicing punt met een draadsnijder.
      3. Strip de hele lengte van de SMF en strip de actieve vezel voor nog eens 0,5 cm. Nu is de actieve vezel afgedekt met 2 cm bufferless SMF.
      4. Laad de actieve vezels in de Cleaver zoals in stappen 1.1.3-1.1.5. Zorg ervoor dat alleen de SMF, die een circulaire bekleding heeft, wordt geklemd door de vezel klem.
      5. Volg de stappen 1.1.6 en 1.1.7 om de actieve vezel < 4 > te klieven. Omdat alleen de SMF zich in de V-groef bevindt, zal deze klieven een minimale spleet hoek opleveren.
    3. Volg stap 1,3 om de vezels te splice.
  3. Meet ruwweg het totale uitgangsvermogen van het distale uiteinde van de actieve vezel < 4 >.
    1. Snijd de actieve vezel < 4 > op ~ 3 m van Splice Point < B >. Langere actieve vezels kunnen worden gebruikt voor een hoger uitgangsvermogen, maar de herhalingssnelheid wordt verlaagd als gevolg van de toename van de holte lengte.
    2. Kleef het uiteinde < 4C > zoals vermeld in stap 1,1.
      Opmerking: omdat de vermogensmeting in de volgende stap wordt geschat, is het niet nodig om de in stap 2.2.2 genoemde methode te gebruiken.
    3. Wijs de vezel naar de Vermogensmeter en breng de vezel-en Vermogensmeter samen zonder fysiek contact.
      Waarschuwing: als u de punt van de vezel te dicht bij de Vermogensmeter plaatst, wordt de Vermogensmeter sensor mogelijk beschadigd, omdat de lichtstroom zich concentreert op een klein punt op de sensor. Gebruik een minimaal betrouwbaar pomp vermogen om dit te voorkomen.
    4. Lees het uitgangsvermogen van de Vermogensmeter. Een groot (> 80%) efficiëntie doorvoer geeft voldoende kwaliteit splitst op punten < een > en < B >.
      Opmerking: het is normaal om enig stroomverlies te hebben als gevolg van de absorptie van de actieve vezels en als gevolg van de inefficiëntie van de koppelingsmethode aan de Vermogensmeter zoals vermeld in de stappen 2.3.2 tot en met 2.3.3.
  4. Splice de actieve vezel < 4 > naar de invoer < 5 > van de < Kol1 >.
    1. Volg stap 2.2.2 om de actieve vezel < 4 > op het uiteinde < C te klieven > te splitsen naar de collimator.
    2. Snijd de input < 5 > van collimator < Kol1 > tot ongeveer 40 cm.
      Opmerking: de lengte van de passieve vezel (< 5 >) mag niet te lang zijn (> 40 cm), omdat de versterkte puls aanzienlijk zal verbreden in de tijd en het spectrale domein als gevolg van verhoogde zelf fase modulatie (SPM) en groepssnelheid dispersie (GVD) volgende passage door de gain fiber (Pulse Amplification). Deze effecten zal de moeilijkheid van Pulse compressie te verhogen.
    3. Volg de stappen 1,1 en 1,3 om de ingang van de collimator < 5 > en splice de actieve en collimator vezels te klieven.
      Opmerking: deze Splice < C > Splice van een dubbele beklede vezel naar een SMF kan lijken te zijn van een lagere kwaliteit dan de eerdere splices. De werkelijke prestaties zijn echter alleen afhankelijk van de uitlijning van de kern omdat de puls binnen de kern voortverspreidt.
  5. Splice Fiber < 6 > van de tweede collimator < col2 > aan de signaal ingang Fiber < 7 > van de combiner.
    1. Volg sectie 1 om de vezels te klieven en te splice.

3. Monteer de vezel delen op de optische tafel

  1. Monteer de pomp laser op de optische tafel met schroeven en eventuele benodigde klemmen.
  2. Monteer de pomp signaal combiner op de optische tafel met klemmen. Thermische pasta kan worden gebruikt tussen de combiner en de tafel, omdat de optische tafel werkt als een koellichaam voor de combiner.
  3. Plaats de vezels op de tafel. De vezels 1, 2, 3, 5, 6 en 7 kunnen afzonderlijk worden verijdeld om ruimte te besparen, terwijl de actieve vezel 4 losjes of rechtlijnig moet zijn met een kromtestraal > 20 cm. laat wat ruimte voor toegang tot Splice < C > voor de volgende stap.
    Let op: een sterke bocht in de actieve vezel kan ervoor zorgen dat het pomp signaal ontsnapt aan de binnenbekleding van de actieve vezel. Dit kan leiden tot fatale brandpunten langs de actieve vezels waarvoor een nieuwe actieve vezel moet worden geïnstalleerd.
  4. Breng de index matching gel aan op Splice < C >. De index matching-gel wordt gebruikt om het pomp licht uit de actieve vezel te leiden om de warmte-en thermische beschadiging op het Splice-punt te verminderen. Merk op dat het niet nodig is om de vezel te heroverdoen. Het is beter om de vezel kaal te laten en gecoat in index matching gel om het risico van thermische schade te minimaliseren.
  5. Gebruik optomechanische Parts om de twee collimatoren < Kol1 > en < col2 > op de optische tafel te monteren en op te lossen. De collimatoren moeten elkaar onder ogen zien met een scheiding van ongeveer 35 cm om voldoende ruimte te bieden voor het inbrengen van de vrije ruimte componenten in de holte.

4. Monteer de onderdelen van de vrije ruimte

  1. Schakel de pomp laser in. Zet het vermogen op 0,5 W (d.w.z. boven de drempelwaarde voor modus vergrendeling en nog een veilig vermogen voor het uitlijnen van systeemcomponenten).
    Waarschuwing: op dit punt moet de laboratoriumruimte klasse IV Laser-gecertificeerd zijn, moet een laser veiligheidsbril worden gedragen en moet het personeel klasse IV-Laser training hebben ontvangen.
  2. Gebruik een infrarood (IR)-bereik om het Splice-punt < C > te controleren. Breng de index matching gel aan op alle heldere vlekken die door de IR-scope worden gezien (indicatief voor mogelijke thermische beschadigingen) om licht te helpen ontsnappen op deze risico punten.
  3. Pas de positie van de twee collimatoren aan, zodat ze direct naar elkaar wijzen. Een IR-uitkijk kaart kan worden gebruikt om de uitlijning van de gecentreerde ligger bij de ingangs openingen van de collimator te ondersteunen.
  4. Monteer een polariserende bundel splitter (PBS) op 6 cm afstand van < Kol1 >. Monteer de sensor van een Vermogensmeter zodat de kracht van de gereflecteerde Laser-uitgangs straal continu kan worden gemeten. De golflengte van de Vermogensmeter moet worden ingesteld op 1.060 nm. Een typische start Power reading met 0,5 W pomp vermogen is ~ 50 mW voor de uitlijning.
  5. Stel de schroeven op de collimator-bevestigingen in om het lezen van de Vermogensmeter te verhogen. Doorgaan met het maken van fijne aanpassingen tot het uitgangsvermogen een maximale waarde van ongeveer 150 mW bereikt, wat een uitstekende uitlijning aangeeft.
    Let op: deze stap vereist zorgvuldige en patiënt aanpassing, wat vaak tijdrovend is. Het is zeer efficiënt om een systematische systematische procedure te volgen: Draai eerst de twee schroeven waarmee de hoek in dezelfde richting (X of Y) op de twee collimators wordt aangepast, waarbij één schroef zeer langzaam in één richting draait terwijl de andere snel draait om alle redelijke hoeken. Blijf de maximale meting van de Vermogensmeter bijhouden. Zodra het maximale vermogen is gevonden, schakelt u over naar de schroeven, aan te passen aan een andere richting. Herhaal de hierboven beschreven trage rotatie en snelle scan. Als gevolg van reflecties van de lenzen binnen beide collimators, is het mogelijk om meerdere lokale maxima te observeren terwijl de collimators worden uitgelijnd. Het werkelijke maximumvermogen is veel groter (150 mW) in vergelijking met de lokale maxima (70 tot 80 mW).
  6. Monteer de isolator 3 cm van < col2 >. Pas de richting van de collimatoren opnieuw aan om de onderdelen van de vrije ruimte uit te lijnen en het uitgangsvermogen te maximaliseren. De aanwezigheid van de isolator kan de uitlijning van de ligger enigszins afbuigen, maar het maximale uitgangsvermogen wordt teruggewonnen door fijne aanpassingen aan de collimatoren.
  7. Monteer het birefringent filter < BF >, een halve golfplaat < HWP > en twee kwart golfplaten (< QWP1 > en < QWP2 >) naar de overeenkomstige posities in Figuur 1. Het birefringent filter is ingeklemd tussen twee polarisatoren-een voor (< PBS >) en één na (binnen de < ISO >)-om een sinusoïdale band-pass filtereffect te creëren. Er moet een kleine (3 ° − 5 °) incident hoek voor de < BF > zijn om het golflengtebereik te bepalen. Stem de uitlijning van de collimatoren opnieuw af totdat het uitgangsvermogen een maximumwaarde bereikt.

5. extra-spouw componenten instellen

  1. Splice alle drie de poorten van de splitter (Figuur 1) met glasvezel connectors (FC) of subminiature versie A (SMA) connectors. De soorten connectors zijn afhankelijk van de ingangspoorten van de fotodiode en de optische spectrum analyzer (OSA). Splice stappen zijn identiek aan die beschreven in sectie 1 hierboven.
  2. Sluit één uitgang van de splitter aan op de fotodiode ingangspoort van de OSA en de andere uitgang naar de fotodiode met behulp van FC-connectors.
  3. Sluit de uitvoerpoort van de fotodiode aan op de oscilloscoop (OSC) met een bayonet Neill-Concelman (BNC)-kabel.
  4. Verbind de < Col3 van de collimator-> met de ingangspoort van de splitter.
    Opmerking: met behulp van de connector voor het aansluiten van de splitter en < Col3 > is voor het gemak. Deze verbinding kan desgewenst worden vervangen door een splice.
  5. Verwijder de Vermogensmeter sensor.
  6. Monteer de kleine spiegel < M1 > en de eerste compressor roosters < G1 > op de optische tafel. Om een maximale efficiëntie van de roosters van de compressor te bereiken, gebruikt u de Vermogensmeter om de kracht van het eerste order maximum te bewaken terwijl u de incident hoek aanpast door het rooster te draaien.
    Opmerking: een rotatie fase kan worden gebruikt om de rotatie nauwkeurig te regelen. Omdat het verlies als gevolg van de incident hoek offset klein is, wordt hier de rotatie fase niet gebruikt om de kosten te verlagen.
  7. Monteer de translationele fase op de tafel. Monteer de tweede compressor roosters < G2 > op de translationele fase. De afstand tussen de roosters moet ongeveer 2 cm voor optimale compressie met fijnafstelling met behulp van de translationele fase. Zorg ervoor dat de roosters parallel zijn.
  8. Monteer de compressor spiegel < m2 > op de optische tafel. Deze spiegel moet verticaal zijn en loodrecht op de bewegende richting van de translationele fase.
  9. Monteer de rest van de spiegels, de Beam splitter en de collimator < Col3 >. De uitlijning wordt later aangepast.
  10. Schakel de pomp laser in. Stel het pomp niveau in op minder dan 0,5 W.
  11. Gebruik een IR-scope om de Splice < C > te controleren. Voeg index matching gel toe aan heldere vlekken.
    Opmerking: stap 5,11 moet regelmatig worden uitgevoerd tijdens het normale gebruik van de laser.
  12. Lijn de compressor uit.
    1. Gebruik een IR-kaart om de straal te lokaliseren, pas de positie van < M1 > en de compressie roosters zodanig aan dat de uitvoer straal in de volgende volgorde de pulscompressie onderdelen doorloopt: < M1 >, < G1 >, < G2 >, < m2 >, < G2 > , < G1 >, < M1 >.
    2. Kantel < m2 > een beetje omhoog om de gereflecteerde balk te verhogen, waardoor deze boven de pulskiezer komt te staan < M1 >.
      Opmerking: < m2 > kan worden vervangen door een retroflector zodat de pickoff spiegel < M1 > niet hoeven te worden gekanteld. Dat wil doen, de gereflecteerde straal zal evenwijdig zijn aan de incident straal, maar verplaatst, met behulp van een terugtrekkende spiegel om de Setup te vereenvoudigen.
  13. Lijn de collimator uit met één uitgangs straal van de Beam splitter.
    1. Schakel de OSA in en stel het apparaat in op de vermogens meter modus.
    2. Pas de hoek van de spiegel < M3 > en de collimator aan om de stroomtoevoer te maximaliseren. De vermogensmeting moet boven-10 dBm zijn.

6. het bereiken van modus-vergrendelde prestaties met karakterisering van de laserpuls uitgang

  1. Zet de OSC aan en stel het instrument in op de AC-koppelingsmodus met het triggerniveau ingesteld op 30 mV.
  2. Verplaats de OSA fotodiode input Fiber naar monochromatische input. Stel het apparaat in op de OSA-modus.
  3. Vergrendel de fase van de laser door de golfplaten aan te passen15.
    1. Draai < QWP2 > enkele graden heen en weer. Het modus vergrendelings spectrum bestaat ruwweg uit twee stabiele pieken met een plateau ertussen (d.w.z. een zogenaamd Cat-ear of Batman-vorm). Ondertussen kan een stabiele pulstrein worden waargenomen op de OSC.
    2. Als het modus vergrendelings spectrum niet wordt waargenomen, draait u < QWP1 > verschillende graden in één richting en herhaalt u stap 6.3.1.
    3. Als het modus vergrendelings spectrum niet kan worden waargenomen door het herhalen van 6.3.2, draai dan < BF > verschillende graden en herhaal stap 6.3.2.
      Opmerking: er zijn verschillende karakteristieke modi van de laser werking die kunnen worden onderscheiden door het observeren van de OSA: 1. een of twee smalle (~ 1 nm) pieken. Dit zijn versterkte spontane emissies (ASE). 2. een brede (~ 50 nm) lawaaierige piek met gebroken lijnen willekeurig verschijnen. Dit is een gedeeltelijke modus-Lock (PML) spectrum. In deze ruisachtige pulsmodus varieert de intensiteit en de duur van elke puls, wat resulteert in een slechte beeldkwaliteit, tenzij men de pulsschommelingen over langere verblijftijden van de pixel integreert. 17 3. Eén ASE piek met een zeer luidruchtige achtergrond die bestaat uit veel lage amplitude pieken. Dit is een niet-modus vergrendelde Q-switching-modus. In deze modus kan de modus vergrendeling vaak worden bereikt door < QWP1 > over een kleine hoek te roteren. 4. de Batman gevormde modus-vergrendeling spectrum. De "oren" hebben meestal verschillende amplitudes met een plat spectrum tussen de scherpe rand functies. Davoudzadeh et al. Verstrek gedetailleerde metingen en illustratieve resultaten voor elk van deze werkingsmodi17.
  4. Verkrijg en analyseer het radiofrequentiespectrum (RF).
    1. Koppel de BNC-kabel los van de OSC en sluit deze aan op de RF-spectrumanalysator.
      Opmerking: het gebruik van een BNC-Tee-adapter wordt niet aanbevolen, omdat de grond een gesloten lus vormt, wat een echo in het circuit induceert. De RF-spectrumanalysator wordt niet weergegeven in Figuur 1, omdat deze dezelfde positie innemen als de OSC wanneer deze in gebruik is.
    2. Volg de instructiehandleiding van RF Spectrum Analyzer om de primaire spectrum piek te vinden. De geschatte verwachte frequentie kan worden berekend op basis van de tijd tussen twee pulsen met behulp van de OSC.
    3. Stel de Wave Plates en birefringent filter voorzichtig in om de signaal-ruis verhouding te maximaliseren, wat de hoogte is van de primaire piek ten opzichte van de achtergrond.
      Opmerking: het RF-spectrum met modus vergrendeling moet een enkele piek zijn zonder zijlobben. Voor de beste beeldkwaliteit moet de SRV minimaal 70 dB bereiken. Het spectrum op de OSA moet zorgvuldig worden bewaakt, het bijhouden van de Batman spectrale vorm, om ervoor te zorgen dat de laser blijft modus vergrendeld.
  5. Volg de instructies van de fabrikant om de autocorrelator uit te lijnen en te bedienen om de pulsduur te meten. De tweede uitgang van de bundel splitter met extra holte kan worden gebruikt. Zodra de pulsduur kan worden gemeten, moet u de translationele fase waarop < G2 > is gemonteerd, zorgvuldig aanpassen om de afstand tussen de twee roosters aan te passen om de duur van de puls af te stemmen.
    Opmerking: om de uitlijning te vereenvoudigen, is het het beste om spiegel < M1 > en < m2 > Los van de twee roosters en de translationele fase waarop ze zijn gemonteerd te monteren. Merk ook op dat Pico pulsen worden waargenomen als een brede voetstuk samen met een centrale FS Pulse Peak functie tijdens gedeeltelijk modus-vergrendelde bewerking17.
  6. Verhoog geleidelijk het pomp vermogen boven 0,5 W om het maximale pomp vermogen te vinden. Bevoegdheden tot ~ 5W zijn getest. Gebruik het IR-bereik om de actieve Fiber < 4 > constant te observeren. Als er een lichte vlek verschijnt, is het pomp vermogen te hoog in de holte en zal het waarschijnlijk de actieve vezels op dit pomp niveau verbranden.
    Opmerking: het maximale vermogen van het systeem is afhankelijk van de lengte van de actieve vezels en de uitlijning van de vrije ruimte componenten in de holte. De hier beschreven protocollen bereiken uitgangsvermogen tot 1 W zonder het verschijnen van heldere vlekken of brandwonden in de holte, en deze kracht is meer dan voldoende voor de meeste beeldvormings toepassingen. Hogere uitgangs krachten werden niet getest, maar mogelijk wel, hoewel multipulsing waarschijnlijk16,17,18zal opleveren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Het is essentieel om te controleren of de modus vergrendeld bewerking na voltooiing van de fiber Laser fabricage procedures. Handtekeningen van optimale FS Pulse generatie en laser stabiliteit zijn als volgt: ten eerste kan de uitgangs puls voldoende worden gekenmerkt door de instrumentatie die wordt beschreven in stap 6. De puls-spectrum uitvoer van de laser-oscillator moet worden gecentreerd in de buurt van 1.070 nm met de karakteristieke Cat-ear of Batman-vorm die modus vergrendeling a...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De protocollen die hier worden geschetst synthetiseren knowhow en expertise die zijn gebruikelijk in de laser fysica laboratorium decennia lang, maar dat is vaak onbekend bij veel biomedische onderzoekers. Dit werk probeert deze ultrasnelle Fiber lasertechnologie toegankelijker te maken voor de bredere gemeenschap. Het Andi Fiber laserdesign is goed opgezet, zoals voor het eerst ontwikkeld in zaad werken van Wise en collega's3. De implementaties van deze technologie door andere groepen hebben echt...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren geen concurrerende belangen.

Dankbetuigingen

We bedanken drs. E. Cronin-Furman en M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) voor hulp bij het verwerven van afbeeldingen. Dit werk werd gesteund door National Institutes of Health Grant K22CA181611 (to B.Q.S.) en de Stichting Richard en Susan Smith Family (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in biomedisch onderzoek (to B.Q.S.).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics)ThorlabsTR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)Standaard optische componenten
Advanced optical fiber cleaverAFLCT-100
AutocorrelatorFemtochromeFR-103XL/IR/FA/CDA
Beamsplitter mountThorlabsBSH1/M
Factory fusion splicerAFLFSM-100P
Fiber collimatorsOZ Optics (Canada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
Fiber-coupled,high-speed photodiode detectorThorlabsDET08CFC
Free-space isolatorThorlabsIO-5-1050-HP
Free-space isolatorThorlabsIO-3D-1050-VLP
Half waveplateUnion Optics (China)WPZ23122x
High power multimode fiber pump moduleGauss Lasers (China)Pump-MM-976-10
High power pump and signal combinerITF Technology (Canada)MMC02112DF1
Index matching gelThorlabsG608N3
Optical spectrum analyzerKeysightAgilent 70951B
OscilloscopeKeysightAgilent 54845A
Passive double clad fiber(5/130 μm)ITF Technology (Canada)MMC02112DF13m, Inbegrepen bij combiner
Polarizing beamsplitterThorlabsPBS253
Quarter waveplatesUnion Optics (China)WPZ43122x
Quartz birefringent filter plateNewlight (Canada)BIR1060
RF spectrum analyzerTektronixRSA306B
Single mode fiber (6/125 μm)OZ Optics (Canada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, Inbegrepen bij collimators
Single mode fiber couplerAFW (Australia)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
Transmission diffraction grating 1LightSmythT-1000-1040-3212-94Voor compressor
Transmission diffraction grating 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94Voor compressor
Waveplate rotation mountThorlabsRSP1/M4x
Ytterbium-doped single mode double clad fiberThorlabsYB1200-6/125DC3m

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Glasvezelassemblagepulskarakteriseringoptisch spectrumanalysatorautocorrelatiemetingpulsduurmetingklinische toepassingen

Gerelateerde artikelen