Artykuł metodologiczny

Tania, niestandardowa produkcja i działanie lasera femtosekundowego o całkowicie normalnej dyspersji do mikroskopii wielofotonowej

7.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60160

⸱

22 listopada 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono metodę budowy niestandardowego, taniego, zsynchronizowanego w trybie femtosekundowego lasera światłowodowego do potencjalnych zastosowań w mikroskopii wielofotonowej, endoskopii i fotomedycynie. Ten laser jest zbudowany przy użyciu dostępnych na rynku części i podstawowych technik łączenia.

Streszczenie

Przedstawiono protokół do budowy niestandardowego, taniego, ale wysokowydajnego femtosekundowego lasera światłowodowego (fs). Ten laser światłowodowy domieszkowany iterbem o całkowicie normalnej dyspersji (ANDi) jest zbudowany w całości przy użyciu dostępnych na rynku części, w tym komponentów lasera światłowodowego i pompowego o wartości 8,000 USD oraz standardowych komponentów optycznych i akcesoriów do zastosowań zewnętrznych. Naukowcy nowicjusze w produkcji urządzeń światłowodowych mogą również rozważyć zainwestowanie w podstawowy sprzęt do łączenia światłowodów i charakteryzacji impulsów laserowych (~ 63 000 USD). Dla optymalnej pracy lasera przedstawiono metody weryfikacji rzeczywistej i pozornej (częściowej lub podobnej do szumu) wydajności z blokadą trybu. System ten osiąga czas trwania impulsu 70 fs przy środkowej długości fali około 1,070 nm i częstotliwości powtarzania impulsów 31 MHz. Ten laser światłowodowy wykazuje najwyższą wydajność, jaką można uzyskać dla łatwego w montażu systemu lasera światłowodowego, co sprawia, że ten projekt jest idealny dla laboratoriów badawczych dążących do opracowania kompaktowych i przenośnych technologii laserowych FS, które umożliwiają nowe wdrożenia klinicznej mikroskopii wielofotonowej i chirurgii FS.

Wprowadzenie

Półprzewodnikowe lasery impulsowe femtosekundowe (fs) są szeroko stosowane do mikroskopii i badań biologicznych. Jednym z typowych przykładów jest zastosowanie mikroskopii fluorescencyjnej z wzbudzeniem wielofotonowym (MPE), w której pożądana jest wysoka moc szczytowa i niska moc średnia, aby ułatwić proces MPE przy jednoczesnej minimalizacji mechanizmów fotouszkodzeń. Na rynku dostępnych jest wiele wysokowydajnych laserów na ciele stałym, a w połączeniu z optycznym oscylatorem parametrycznym (OPO) długość fali lasera można dostroić w szerokim zakresie1. Na przykład komercyjne systemy oscylatorów-OPO generują czas trwania impulsów <120 fs (zwykle z częstotliwością powtarzania impulsów 80 MHz) i średnią moc >1 W od 680 do 1,300 nm. Jednak koszt tych komercyjnych przestrajalnych systemów laserowych fs jest znaczny (200 000 > USD), a systemy półprzewodnikowe zazwyczaj wymagają chłodzenia wodą i nie są przenośne do zastosowań klinicznych.

Technologia ultrakrótkiego impulsowego lasera światłowodowego rozwinęła się w ciągu ostatnich kilku lat. Koszt komercyjnego impulsowego lasera światłowodowego fs jest zwykle znacznie niższy niż laserów na ciele stałym, aczkolwiek bez możliwości dostrajania szerokiej długości fali, jaką zapewniają wspomniane powyżej systemy półprzewodnikowe. Należy pamiętać, że lasery światłowodowe można w razie potrzeby sparować z OPO (tj. hybrydowymi systemami światłowodowo-półprzewodnikowymi). Duży stosunek powierzchni do objętości systemów laserów światłowodowych umożliwia wydajne chłodzenie powietrzem2. W związku z tym lasery światłowodowe są bardziej przenośne niż systemy półprzewodnikowe ze względu na stosunkowo niewielkie rozmiary i uproszczony system chłodzenia. Co więcej, splot fuzyjny komponentów światłowodowych zmniejsza złożoność systemu i dryf mechaniczny w przeciwieństwie do wyrównania elementów optycznych w wolnej przestrzeni tworzących urządzenia półprzewodnikowe. Wszystkie te cechy sprawiają, że lasery światłowodowe idealnie nadają się do zastosowań klinicznych. W rzeczywistości lasery światłowodowe zostały opracowane z myślą o pracy o niskich wymaganiach konserwacyjnych3,4,5, a lasery światłowodowe utrzymujące polaryzację (PM) są odporne na czynniki środowiskowe, w tym zmiany temperatury i wilgotności, a także drgania mechaniczne2,6,7,8.

Tutaj przedstawiono metodę budowy opłacalnego impulsowego lasera światłowodowego fs ANDi z dostępnymi na rynku częściami i standardowymi technikami łączenia światłowodów. Przedstawiono również metody charakteryzowania częstotliwości powtarzania impulsów, czasu trwania i koherencji (pełna blokada trybu). Powstały w ten sposób laser światłowodowy generuje impulsy z synchronizacją modów, które można skompresować do 70 fs z częstotliwością powtarzania 31 MHz i długością fali wyśrodkowaną na 1060 do 1,070 nm. Maksymalna moc wyjściowa z wnęki lasera wynosi około 1 W. Fizyka impulsów laserów światłowodowych ANDi elegancko wykorzystuje nieliniową ewolucję polaryzacji właściwą światłowodzie jako kluczowy składnik nasyconego absorbera 2,3,9,10,11. Oznacza to jednak, że projekt ANDi nie jest łatwy do wdrożenia przy użyciu światłowodu PM (chociaż zgłoszono implementację blokowania w trybie ANDi w całości ze światłowodem PM, aczkolwiek z niską mocą i czasem trwania impulsu ps12). W związku z tym stabilność środowiskowa wymaga znacznych prac inżynieryjnych. Projekty laserów światłowodowych nowej generacji, takie jak oscylator Mamyshev, mają potencjał, aby zapewnić pełną stabilność środowiska jako urządzenia światłowodowe składające się wyłącznie z PM, zdolne do zwiększenia o rząd wielkości energii impulsów wewnątrz wnęki, a także oferujące znaczne skrócenie czasu trwania impulsu, aby umożliwić aplikacje, które opierają się na szerokim widmie impulsów13,14. Niestandardowa produkcja tych innowacyjnych, nowych projektów laserów światłowodowych fs wymaga wiedzy i doświadczenia w łączeniu światłowodów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Łączenie światłowodów jednomodowych (SMF)

UWAGA: Sekcja 1 składa się z ogólnych kroków do łączenia SMF-ów. Jest to nieistotny, ale zalecany krok do ćwiczenia spawów światłowodowych przy użyciu niedrogiego włókna. Ten krok zapewnia prawidłowe działanie sprzętu do łączenia przed użyciem bardziej wartościowych materiałów światłowodowych.

  1. Rozetnij pierwsze włókno.
    1. Usuń około 30 mm włókna za pomocą narzędzia do zdejmowania izolacji. W przypadku delikatnych włókien (np. włókien podwójnie platerowanych) można użyć żyletki, aby ostrożnie odkleić bufor.
    2. Użyj niestrzępiącej się chusteczki z etanolem lub izopropanolem, aby oczyścić pozbawione włókna. Brzęczący dźwięk podczas wycierania włókna wskazuje, że włókno jest wystarczająco czyste.
    3. Umieść uchwyt na światłowód na tasaku do włókien. Upewnij się, że ostrze, włókno clamp tasaka i uchwyt włókna są czyste. Do czyszczenia tych części tasaka można użyć bawełnianych wacików z alkoholem.
    4. Ostrożnie załaduj włókno do uchwytu światłowodu. Pozostaw około 25 mm odizolowanego, czystego włókna na wolnym końcu, aby tasak mógł się zacisnąć.
    5. Delikatnie zamknij zacisk z włókna na tasaku. Aby uniknąć dodatkowego naprężenia włókna, ponownie otwórz i zamknij zacisk, aby napięcie zostało zwolnione.
    6. Naciśnij przycisk "odetnij", a tasak automatycznie rozetnie włókno.
      UWAGA: Aby włókno pozostało czyste, nic nie powinno dotykać końcówki włókna po rozcięciu.
    7. Przenieś uchwyt światłowodu do spawarki. Użyj pęsety, aby przesunąć kawałek odcięty od włókna do pojemnika na ostre odpady.
      UWAGA: Twarda pęseta i ostre końcówki pęsety mogą zerwać włókno. Odpowiednia pęseta do obsługi światłowodów powinna mieć plastikowe, zaokrąglone końcówki.
  2. Rozetnij drugie włókno.
    1. Powtórz krok 1.1 na drugim włóknie z drugim uchwytem światłowodu. Dwa włókna, które mają być łączone, powinny być rozcięte tak, aby ścięte końce były trzymane naprzeciwko siebie przez uchwyty włókien w spawarce do włókien.
    2. Zamknij pokrywę spawarki.
  3. Fuzja łączy włókna.
    1. Ustaw parametry spawarki, w tym średnicę rdzenia, średnicę pola modnego (MFD) i średnicę okładziny. Ustaw metodę wyrównania na Okładzina.
    2. Naciśnij przycisk start, a spawarka wyrówna się automatycznie.
      UWAGA: Możliwe jest otrzymywanie komunikatów o błędach dotyczących słabego kształtu lub dużego kąta rozszczepienia. Jest to zwykle spowodowane słabym rozszczepieniem lub zanieczyszczeniem włókna po rozszczepieniu. W takim przypadku powtórz procedurę rozszczepiania włókien.
    3. Naciśnij przycisk start przy każdym zatrzymaniu, aby potwierdzić jakość spawu. Spawanie zostanie wykonane automatycznie.
    4. Sprawdź jakość spawu za pomocą kontroli jakości przeprowadzanej przez spawarkę, a także korzystając z widoku kamery obszaru spawu. Dobry splot ma jednolitą granicę okładziny i jednolitą jasność wzdłuż włókna, tak że nie jest widoczne połączenie spawu.
      UWAGA: Spawarki światłowodowe często zawierają optykę do kontroli spawu i oszacowania strat mocy na podstawie zmierzonej geometrii, kształtu i załamania światła przez światłowód przy użyciu źródła prostopadłego do światłowodu w celu wyświetlenia, zobrazowania i przeanalizowania złącza spawu. Oczywiście jest to tylko wartość szacunkowa, ale w większości przypadków jest wystarczająca. W przypadku identycznych włókien spawarka oszacuje tę stratę na ~0 dB (tj. brak wykrywalnej straty). Na podstawie poprzednich wyników z różnymi spawami światłowodowymi opisanymi poniżej, szacunki spawarki dotyczące strat mocy wahają się od 0,07 dB (punkty łączenia B i C, Rysunek 1) do 0,3 dB (punkt łączenia D). Szacunki te najprawdopodobniej przeszacowują straty spowodowane niedopasowaną geometrią i załamaniem różnych światłowodów, które fałszywie pojawiają się jako obiekty wadliwe.
    5. Otwórz pokrywę spawarki, a następnie otwórz jeden z uchwytów światłowodów. Drugiego uchwytu włókna nie należy otwierać, dopóki splamione włókno nie zostanie usunięte ze spawarki.
    6. Opcjonalnie można dodać tuleję światłowodową w celu ochrony spawu. Grzałka na spawarce może być używana do formowania tulei na włóknie. Alternatywnie można użyć pistoletu na gorące powietrze.
      UWAGA: Jeśli dwa włókna są bardzo długie lub przymocowane do innych elementów, tuleję należy założyć na jedno z włókien przed rozcięciem, a następnie można ją przesunąć do punktu łączenia. Osłona z włókna działa jak rurka termokurczliwa w obwodach elektronicznych. Może być stosowany do ochrony miejsca łączenia przed siłą zginania lub ciągnięcia. Zamiast tego można użyć urządzenia do ponownego powlekania włókna w celu maksymalnego zabezpieczenia punktu łączenia przed uszkodzeniami mechanicznymi, aczkolwiek wiąże się to ze znacznymi dodatkowymi kosztami, ponieważ sprzęt ten należy zakupić, jeśli nie jest łatwo dostępny.

2. Złóż części światłowodowe

  1. Połącz światłowód wyjściowy pompy <1> z wejściem pompy <2> sumatora sygnału pompy (patrz schemat lasera światłowodowego, Rysunek 1).
    1. Postępuj zgodnie z sekcją 1, aby rozciąć i połączyć włókna. Użyj domyślnego ustawienia programu BASIC I SP, z wyjątkiem parametrów światłowodu (2-A i 2-B), które należy wprowadzić ręcznie. Parametry łączenia, które należy wprowadzić, znajdują się w tabeli 1.
  2. Połącz wyjście sumatora <3> z aktywnym włóknem domieszkowanym Yb.
    1. Wykonaj krok 1.1, aby rozciąć światłowód wyjściowy sumatora <3>.
    2. Rozszczepienie aktywnego włókna <4>,
      UWAGA: Ponieważ aktywne włókno <4> ma ośmiokątną obudowę, nie pasuje do rowka w kształcie litery V tasaka z włókna. W związku z tym proste rozszczepienie opisane w kroku 1.1 da stosunkowo duży kąt rozszczepienia. W związku z tym w poniższych krokach przedstawiono specjalny protokół mający na celu uzyskanie płaskiego kąta rozszczepienia przy użyciu tego samego sprzętu.
      1. Postępuj zgodnie z sekcją 1, aby rozciąć i połączyć aktywne włókno <4> i kawałek 6/125 SMF. Ten SMF jest usuwany później i nie jest włączany do lasera. Dlatego dopuszczalne jest, jeśli jakość tego kąta rozszczepienia jest słaba. Na tym etapie nie jest ważne, aby uzyskać płaski kąt rozszczepienia.
      2. Wytnij SMF około 2 cm od miejsca łączenia za pomocą przecinaka do drutu.
      3. Zdejmij izolację na całej długości SMF i usuń aktywne włókno na kolejne 0,5 cm. Teraz aktywne włókno jest pokryte 2 cm bezbuforowym SMF.
      4. Załaduj aktywne włókno do tasaka, jak w krokach 1.1.3-1.1.5. Upewnij się, że tylko SMF, który ma okrągłą okładzinę, jest zaciśnięty przez zacisk światłowodowy.
      5. Wykonaj kroki 1.1.6 i 1.1.7, aby rozciąć aktywne włókno <4>. Ponieważ tylko SMF znajduje się w V-rowku, to rozszczepienie da minimalny kąt rozszczepienia.
    3. Wykonaj krok 1.3, aby połączyć włókna.
  3. Z grubsza zmierz całkowitą moc wyjściową z dystalnego końca aktywnego włókna <4>.
    1. Przeciąć aktywne włókno <4> w odległości ~3 m od punktu łączenia . Dłuższe aktywne włókno może być używane w celu uzyskania wyższej mocy wyjściowej, ale częstotliwość powtarzania zostanie zmniejszona ze względu na wzrost długości wnęki.
    2. Rozciąć koniec <4C> jak wspomniano w kroku 1.1.
      UWAGA: Ponieważ pomiar mocy w następnym kroku jest szacunkowy, nie ma potrzeby stosowania metody opisanej w kroku 2.2.2.
    3. Skieruj światłowód w stronę miernika mocy i zbliż światłowód i miernik mocy do siebie bez kontaktu fizycznego.
      UWAGA: Umieszczenie końcówki światłowodu zbyt blisko miernika mocy może spowodować uszkodzenie czujnika miernika mocy, ponieważ moc światła jest skoncentrowana w małym punkcie czujnika. Aby tego uniknąć, należy używać minimalnej niezawodnej mocy pompy.
    4. Odczytaj moc wyjściową z miernika mocy. Duża (>80%) wydajność połączeń wskazuje na wystarczającą jakość spawów w punktach i .
      UWAGA: To normalne, że występują pewne straty mocy spowodowane absorpcją aktywnego włókna i nieefektywnością metody sprzęgania z miernikiem mocy, jak wspomniano w krokach 2.3.2 do 2.3.3.
  4. Połącz aktywne włókno <4> z wejściem <5> kolimatora .
    1. Wykonaj krok 2.2.2, aby rozciąć aktywne włókno <4> na końcu które ma zostać połączone z kolimatorem.
    2. Przyciąć <5> wejściowe kolimatora do około 40 cm.
      UWAGA: Długość światłowodu pasywnego (<5>) nie powinna być zbyt długa (>40 cm), ponieważ wzmocniony impuls znacznie się rozszerzy w czasie i domenie widmowej ze względu na zwiększoną modulację fazy własnej (SPM) i dyspersję prędkości grupowej (GVD) po przejściu przez światłowód wzmacniający (wzmocnienie impulsu). Efekty te zwiększą trudność kompresji impulsów.
    3. Wykonaj kroki 1.1 i 1.3, aby rozciąć wejście kolimatora <5> i połączyć włókna aktywne i kolimatora.
      UWAGA: Ten splot podwójnie platerowanego włókna z SMF może wydawać się gorszej jakości niż poprzednie spawy. Jednak rzeczywista wydajność zależy tylko od wyrównania rdzenia, ponieważ impuls rozchodzi się w rdzeniu.
  5. Złącz włókno <6> drugiego kolimatora do światłowodu wejściowego sygnału <7> sumatora.
    1. Postępuj zgodnie z sekcją 1, aby rozciąć i połączyć włókna.

3. Zamontuj części światłowodu na stole optycznym

  1. Zamontuj laser pompy do stołu optycznego za pomocą i wszelkich niezbędnych zacisków.
  2. Zamontuj sumator sygnału pompy na stole optycznym za pomocą zacisków. Pasta termiczna może być stosowana między sumatorem a stołem, ponieważ stół optyczny działa jako radiator dla sumatora.
  3. Połóż włókna na stole. Włókna 1, 2, 3, 5, 6 i 7 można zwijać pojedynczo, aby zaoszczędzić miejsce, podczas gdy aktywne włókno 4 powinno być proste lub zwinięte luźno o promieniu krzywizny >20 cm. Zostaw trochę miejsca, aby uzyskać dostęp do spawu do następnego kroku.
    UWAGA: Silne zagięcie aktywnego włókna może spowodować, że sygnał pompy ucieknie z wewnętrznej powłoki aktywnego włókna. Może to prowadzić do śmiertelnych punktów oparzeń wzdłuż aktywnego włókna, które będą wymagały zainstalowania nowego aktywnego włókna.
  4. Nałóż żel pasujący do indeksu do łączenia . Żel dopasowujący indeks służy do wyprowadzania światła pompy z aktywnego włókna w celu zmniejszenia wytwarzania ciepła i uszkodzeń termicznych w punkcie łączenia. Należy pamiętać, że nie ma potrzeby ponownego powlekania włókna. Zaleca się pozostawienie włókna gołego i pokrytego żelem dopasowującym indeks, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia termicznego.
  5. Użyj części optomechanicznych, aby zamontować i zamocować dwa kolimatory i na stole optycznym. Kolimatory powinny być zwrócone do siebie w odległości około 35 cm, aby zapewnić wystarczającą ilość miejsca do włożenia elementów wolnej przestrzeni we wnęce.

4. Złóż części wolnej przestrzeni

  1. Włącz laser pompy. Ustaw moc na 0.5 W (tj. powyżej progu dla blokowania trybów, ale bezpieczna moc do wyrównywania komponentów systemu).
    UWAGA: W tym momencie przestrzeń laboratoryjna musi być certyfikowana laserowo klasy IV, należy nosić okulary ochronne do lasera, a personel musi przejść szkolenie laserowe klasy IV.
  2. Użyj lunety na podczerwień (IR), aby sprawdzić punkt łączenia . Nałóż żel dopasowujący indeks na wszystkie jasne punkty widoczne przez lunetę IR (wskazujące na potencjalne punkty uszkodzenia termicznego), aby ułatwić ucieczkę światła w tych punktach ryzyka.
  3. Dostosuj położenie dwóch kolimatorów tak, aby były skierowane bezpośrednio na siebie. Karta podglądu w podczerwieni może być używana do wspomagania wyśrodkowanego wyrównania wiązki w otworach wejściowych kolimatora.
  4. Zamontuj rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej (PBS) w odległości 6 cm od . Zamontuj czujnik miernika mocy tak, aby moc odbitej wiązki wyjściowej lasera mogła być mierzona w sposób ciągły. Długość fali miernika mocy powinna być ustawiona na 1,060 nm. Typowy odczyt mocy rozruchowej przy mocy pompy 0,5 W wynosi ~50 mW przed wyrównaniem.
  5. Wyreguluj na mocowaniach kolimatora, aby zwiększyć odczyt miernika mocy. Kontynuuj dokonywanie precyzyjnych regulacji, aż moc wyjściowa osiągnie maksymalną wartość około 150 mW, co wskazuje na doskonałe wyrównanie.
    UWAGA: Ten krok wymaga starannej i cierpliwej regulacji, która często jest czasochłonna. Najbardziej efektywne jest przestrzeganie systematycznej, systematycznej procedury: najpierw obróć dwie, które regulują kąt w tym samym kierunku (X lub Y) na dwóch kolimatorach, przy czym jedna śruba obraca się bardzo powoli w jednym kierunku, podczas gdy druga obraca się szybko, aby zeskanować wszystkie rozsądne kąty. Śledź maksymalny odczyt z miernika mocy. Po znalezieniu maksymalnej mocy przełącz się na, dostosowując się w innym kierunku. Powtórz powolne obracanie i szybkie skanowanie opisane powyżej. Ze względu na odbicia od soczewek wewnątrz obu kolimatorów, możliwe jest obserwowanie wielu lokalnych maksimów podczas ustawiania kolimatorów. Rzeczywista moc maksymalna jest znacznie większa (150 mW) w porównaniu z lokalnymi maksimami (70 do 80 mW).
  6. Zamontuj izolator w odległości 3 cm od . Ponownie dostosuj kierunek kolimatorów, aby wyrównać składowe wolnej przestrzeni i zmaksymalizować moc wyjściową. Obecność izolatora może nieznacznie odchylić wyrównanie wiązki, ale maksymalna moc wyjściowa jest odzyskiwana przez precyzyjną regulację kolimatorów.
  7. Zamontuj filtr dwójłomny , płytkę półfalową i dwie płytki ćwierćfalowe ( i ) w odpowiednich miejscach pokazanych na Rysunek 1. Filtr dwójłomny jest umieszczony pomiędzy dwoma polaryzatorami - jednym przed () i jednym po (w obrębie ) - aby stworzyć sinusoidalny efekt filtra pasmowo-przepustowego. Dla musi istnieć mały (3°−5°) kąt padania, aby kontrolować zakres długości fali. Jeszcze raz dostosuj ustawienie kolimatorów, aż moc wyjściowa osiągnie maksymalną wartość.

5. Ustawianie komponentów dodatkowych gniazd

  1. Połącz wszystkie trzy porty rozgałęźnika (Rysunek 1) ze złączami światłowodowymi (FC) lub SubMiniature w wersji A (SMA). Rodzaje złączy zależą od portów wejściowych fotodiody i optycznego analizatora widma (OSA). Etapy łączenia są identyczne z opisanymi w sekcji 1 powyżej.
  2. Podłącz jedno wyjście rozgałęźnika do portu wejściowego fotodiody OSA, a drugie wyjście do fotodiody za pomocą złączy FC.
  3. Podłącz port wyjściowy fotodiody do oscyloskopu (OSC) za pomocą Bayonet Neill-Concelman (BNC).
  4. Podłącz kolimator do portu wejściowego rozgałęźnika.
    UWAGA: Używanie złącza do podłączenia rozgałęźnika i jest dla wygody. W razie potrzeby to połączenie można zastąpić spawem.
  5. Wyjmij czujnik miernika mocy.
  6. Zamontuj małe lusterko i pierwszą kratkę kompresora na stole optycznym. Aby osiągnąć maksymalną wydajność krat sprężarki, należy użyć miernika mocy do monitorowania maksymalnej mocy pierwszego rzędu, jednocześnie regulując kąt padania poprzez obracanie kraty.
    UWAGA: Stolik obrotowy może być używany do precyzyjnego sterowania obrotem. Ponieważ strata spowodowana przesunięciem kąta padania jest niewielka, stopień obrotowy nie jest tutaj stosowany w celu obniżenia kosztów.
  7. Zamontuj stolik translacyjny na stole. Zamontuj drugą kratę sprężarki na stoliku translacyjnym. Odległość między kratami powinna wynosić około 2 cm, aby zapewnić optymalną kompresję z precyzyjną regulacją za pomocą stolika translacyjnego. Upewnij się, że kraty są równoległe.
  8. Zamontuj lustro sprężarki na stole optycznym. Lustro to powinno być pionowe i prostopadłe do kierunku ruchu etapu translacyjnego.
  9. Zamontuj resztę lusterek, rozdzielacz wiązki i kolimator . Wyrównanie zostanie dostosowane później.
  10. Włącz laser pompy. Ustaw poziom pompy na mniej niż 0,5 W.
  11. Użyj lunety IR, aby sprawdzić splot . Dodaj żel pasujący do indeksu do wszystkich jasnych punktów.
    UWAGA: Krok 5.11 należy wykonywać regularnie podczas normalnego użytkowania lasera.
  12. Wyrównaj sprężarkę.
    1. Użyj karty IR, aby zlokalizować wiązkę, wyreguluj położenie i siatek kompresyjnych tak, aby wiązka wyjściowa przechodziła przez części kompresyjne impulsów w następującej kolejności: , , , , , , .
    2. Przechyl lekko w górę, aby podnieść odbitą wiązkę, dzięki czemu przechodzi ona nad lustrem pickera impulsów .
      UWAGA: można zastąpić odblaskiem w taki sposób, że lusterko odbiorcze nie musi być ustawione pod kątem. Oznacza to, że odbita wiązka będzie równoległa do wiązki padającej, ale przemieszczona, przy użyciu lustra odblaskowego, aby uprościć konfigurację.
  13. Wyrównaj kolimator z jedną wiązką wyjściową rozdzielacza wiązki.
    1. Włącz OSA i ustaw urządzenie w trybie miernika mocy.
    2. Dostosuj kąt lustra i kolimatora, aby zmaksymalizować pobór mocy. Odczyt mocy powinien wynosić powyżej -10 dBm.

6. Osiąganie wydajności z blokadą trybu z charakterystyką wyjścia impulsu laserowego

  1. Włącz OSC i ustaw przyrząd w tryb sprzężenia AC z poziomem wyzwalania ustawionym na 30 mV.
  2. Przenieś światłowód wejściowy fotodiody OSA na wejście monochromatyczne. Ustaw urządzenie w trybie OSA.
  3. Zablokuj fazę lasera, dostosowując płytki falowe15.
    1. Obróć o kilka stopni w przód iw tył. Widmo z blokadą modów składa się z grubsza z dwóch stabilnych szczytów z plateau między nimi (tj. tak zwany kształt kociego ucha lub Batmana). Tymczasem na OSC można zaobserwować stabilny ciąg impulsów.
    2. Jeśli widmo blokujące mod nie jest obserwowane, obrócić o kilka stopni w jednym kierunku i powtórzyć krok 6.3.1.
    3. Jeżeli nie można zaobserwować widma z blokadą modu przez powtórzenie ppkt 6.3.2, należy obrócić o kilka stopni i powtórzyć krok 6.3.2.
      UWAGA: Istnieje kilka charakterystycznych trybów pracy lasera, które można rozróżnić, obserwując OSA: 1. Jeden lub dwa wąskie (~1 nm) piki. Są to wzmocnione emisje spontaniczne (ASE). 2. Szeroki (~50 nm) hałaśliwy szczyt z przerywanymi liniami pojawiającymi się losowo. Jest to spektrum z częściową blokadą trybu (PML). W tym trybie impulsowym przypominającym szum intensywność i czas trwania każdego impulsu zmienia się, co skutkuje słabą jakością obrazu, chyba że uwzględni się fluktuacje impulsów w dłuższych czasach przebywania pikseli. 17 3. Jeden pik ASE z bardzo hałaśliwym tłem składającym się z wielu pików o niskiej amplitudzie. Jest to tryb przełączania Q bez blokady modu. W tym trybie blokowanie trybu można często osiągnąć, obracając pod małym kątem. 4. Spektrum blokowania trybów w kształcie Batmana. "Uszy" zazwyczaj mają różne amplitudy z płaskim widmem między ostrymi krawędziami. Davoudzadeh et al. podają szczegółowe pomiary i ilustracyjne wyniki dla każdego z tych trybów działania17.
  4. Zbieraj i analizuj widmo częstotliwości radiowej (RF).
    1. Odłącz BNC od OSC i podłącz go do analizatora widma RF.
      UWAGA: Nie zaleca się używania adaptera trójnika BNC, ponieważ uziemienie tworzy zamkniętą pętlę, która indukuje echo w obwodzie. Analizator widma RF nie jest pokazany w Rysunek 1, ponieważ podczas użytkowania przyjmuje tę samą pozycję co OSC.
    2. Postępuj zgodnie z instrukcją obsługi analizatora widma RF, aby zlokalizować pik widma pierwotnego. Przybliżoną oczekiwaną częstotliwość można obliczyć na podstawie czasu między dwoma impulsami za pomocą OSC.
    3. Delikatnie wyreguluj płytki falowe i filtr dwójłomny, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu, który jest wysokością głównego piku względem tła.
      UWAGA: Widmo RF z blokadą trybu powinno być pojedynczym szczytem bez bocznych płatów. Aby uzyskać najlepszą jakość obrazowania, stosunek sygnału do szumu powinien wynosić co najmniej 70 dB. Widmo na OSA powinno być dokładnie monitorowane, śledząc kształt widmowy Batmana, aby upewnić się, że laser pozostaje zablokowany w trybie.
  5. Postępuj zgodnie z instrukcjami producenta, aby wyrównać i uruchomić autokorelator w celu zmierzenia czasu trwania impulsu. Można użyć drugiego wyjścia z rozdzielacza wiązki zewnątrzwnękowej. Gdy można zmierzyć czas trwania impulsu, ostrożnie wyreguluj stopień translacyjny, na którym zamontowany jest , aby dostosować odległość między dwiema siatkami, aby dostroić czas trwania impulsu.
    UWAGA: Aby ułatwić wyrównanie, najlepiej jest zamontować lustro i oddzielnie od dwóch siatek i stolika translacyjnego, do którego są zamontowane. Zauważ również, że impulsy pikosekundowe są obserwowane jako szeroki postument wraz z centralną funkcją piku impulsu fs podczas pracy z częściowo zablokowanym trybem17.
  6. Stopniowo zwiększaj moc pompy powyżej 0,5 W, aby znaleźć maksymalną moc pompy. Przetestowano moce do ~5W. Użyj lunety IR, aby stale obserwować aktywne światłowód <4>. Jeśli pojawi się jasny punkt, oznacza to, że moc pompy w wnęce jest zbyt wysoka i prawdopodobnie spali aktywne włókno na tym poziomie pompy.
    UWAGA: Maksymalna moc systemu zależy od długości aktywnego włókna i wyrównania elementów wolnej przestrzeni we wnęce. Opisane tutaj protokoły osiągają moc wyjściową do 1 W bez pojawienia się jasnych punktów lub oparzeń we wnęce, a moc ta jest więcej niż wystarczająca dla większości zastosowań obrazowania. Wyższe moce wyjściowe nie były testowane, ale mogą być możliwe, chociaż prawdopodobnie spowoduje to wielopulsowanie16,17,18.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Niezwykle ważne jest sprawdzenie działania z blokadą trybu po zakończeniu procedur produkcji lasera światłowodowego. Sygnatury optymalnego generowania impulsów fs i stabilności lasera są następujące: Po pierwsze, impuls wyjściowy może być wystarczająco scharakteryzowany przez oprzyrządowanie opisane w kroku 6. Widmo impulsu wyjściowego z oscylatora laserowego powinno być wyśrodkowane w pobliżu 1,070 nm z charakterystycznym kształtem kociego ucha lub Batmana, który wskazuje na blokowanie t...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przedstawione tutaj protokoły syntetyzują know-how i wiedzę specjalistyczną, które są powszechną praktyką w laboratoriach fizyki laserowej od dziesięcioleci, ale które często są nieznane wielu badaczom biomedycznym. Ta praca ma na celu uczynienie tej ultraszybkiej technologii lasera światłowodowego bardziej dostępną dla szerszej społeczności. Konstrukcja lasera światłowodowego ANDi jest dobrze ugruntowana, ponieważ po raz pierwszy została opracowana w przełomowych pracach Wise'a i współpracowników3

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.

Podziękowania

Dziękujemy doktorom E. Cronin-Furmanowi i M. Weitzmanowi (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) za pomoc w pozyskiwaniu obrazów. Praca ta była wspierana przez National Institutes of Health Grant K22CA181611 (dla B.Q.S.) oraz Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Nagroda Rodziny Smithów za doskonałość w badaniach biomedycznych (dla B.Q.S.).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Adaptery, lustra, słupki, mocowania i stolik translacyjny (optomechanika)ThorlabsTR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)Standardowe komponenty optyczne
Zaawansowany obcinak światłowodowyAFLCT-100
AutokorelatorFemtochromFR-103XL/IR/FA/CDA
Mocowanie beamsplitteraThorlabsBSH1/M
Fabryczna spawarka fuzyjnaAFLFSM-100P
Kolimatory światłowodoweOZ Optics (Kanada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
Sprzężony ze światłowodami, szybki detektor fotodiodThorlabsDET08CFC
Izolator wolnej przestrzeniThorlabsIO-5-1050-HP
Izolator wolnej przestrzeniThorlabsIO-3D-1050-VLP
Półpłytka falowaUnion Optics (Chiny)WPZ23122x
moduł pompy światłowodowej wielomodowej dużej mocyLasery Gaussa (Chiny)Pompa-MM-976-10
Pompa dużej mocy i sumator sygnałuITF Technology (Kanada)MMC02112DF1
Żel pasujący do indeksuThorlabsG608N3
Optyczny analizator widmaKeysightAgilent 70951B
OscyloskopKeysightAgilent 54845A Pasywne
włókno podwójnie platerowane (5/130 μ m)ITF Technology (Kanada) MMC02112DF13 m, w zestawie z sumatorem
Polaryzacyjny rozdzielacz wiązkiThorlabsPBS253
Ćwierćfalowe płytkiUnion Optics (Chiny) WPZ43122x
kwarcowa dwójłomna płyta filtracyjnaNewlight (Kanada) BIR1060
Analizator widma RFTektronixRSA306B
Światłowód jednomodowy (6/125 μ m)OZ Optics (Kanada)LPC-08-1064-6 / 125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, W zestawie z kolimatorami
Jednomodowy łącznik światłowodowyAFW (Australia)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
Krata dyfrakcyjna transmisyjna 1LightSmythT-1000-1040-3212-94Do sprężarki
Kratka dyfrakcyjna skrzyni biegów 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94Do sprężarka
Uchwyt obrotowy waveplateThorlabsRSP1/M4x
Włókno jednomodowe domieszkowane iterbem podwójnie platerowaneThorlabsYB1200-6 / 125DC3m

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Splewanie wiat owod wcharakterystyka impulsuanalizator widma optycznegopomiar autokorelacyjnypomiar czasu trwania impulsuzastosowania kliniczne

Powiązane artykuły