Tania, niestandardowa produkcja i działanie lasera femtosekundowego o całkowicie normalnej dyspersji do mikroskopii wielofotonowej
22 listopada 2019
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.
Lasery impulsowe femtosekundowe mają szerokie zastosowanie w wielofotonowej miskroskopii. Protokół ten można wykorzystać do wytworzenia femtosekundowego, całkowicie normalnego dyspersyjnego lasera światłowodowego, który jest kompaktowy, wytrzymały i niedrogi. W porównaniu z komercyjnymi ultraszybkimi laserami na ciele stałym, laser wyprodukowany w tej technice kosztuje znacznie mniej, ponieważ składa się tylko z dostępnych na rynku części.
Ponadto lasery światłowodowe nie wymagają chłodzenia wodą, więc rozmiar systemu jest mniejszy. Wreszcie, co nie mniej ważne, elementy światłowodowe nie wymagają wyrównania, co sprawia, że system jest odporny na wibracje. W przeciwieństwie do dostępnych na rynku systemów, laser ten nie posiada osłony blokującej niechciane wiązki.
Do montażu i obsługi lasera potrzebny jest doświadczony personel. Niektóre eksperymenty wydają się być niepowtarzalne, ponieważ jest bardzo prawdopodobne, że pominą niektóre nienazwane szczegóły podczas wykonywania pisemnych instrukcji. W pokazie wideo widzowie niczego nie przegapią.
Zacznij od spawania światłowodów jednomodowych lub SMF, aby zapewnić prawidłowe działanie sprzętu do spawania, zanim zostaną użyte bardziej wartościowe materiały światłowodowe. Usuń około 30 milimetrów włókna za pomocą narzędzia do usuwania izolacji. W przypadku pracy z delikatnymi włóknami można użyć żyletki, aby ostrożnie odkleić bufor.
Użyj niestrzępiącej się chusteczki z etanolem lub izopropanolem, aby wyczyścić pozbawione włókna. Brzęczący dźwięk podczas wycierania wskazuje, że włókno jest wystarczająco czyste. Następnie umieść uchwyt na włókno na obcinaczu włókien i upewnij się, że ostrze, zacisk włókna tasaka i uchwyt na włókno są czyste.
Ostrożnie załaduj włókno do uchwytu włókna, pozostawiając około 25 milimetrów pozbawionego czystego włókna na wolnym końcu tasaka, aby zacisnąć. Delikatnie zamknij zacisk z włókna na tasaku. Aby uniknąć nadmiernego naprężenia włókna, ponownie otwórz i zamknij zacisk.
Naciśnij przycisk Wytnij, a tasak automatycznie przetnie włókno. Użyj pęsety z zaokrąglonymi końcówkami z tworzywa sztucznego, aby przesunąć kawałek wycięty z włókna do pojemnika na ostre odpady i przenieś uchwyt włókna do spawarki. Powtórz procedurę, aby rozciąć drugie włókno.
Dwa włókna, które mają być ze sobą połączone, powinny mieć rozszczepione końce naprzeciwko siebie przez uchwyty włókien w spawarce do włókien. Zamknij pokrywę spawarki i ustaw parametry, takie jak średnica rdzenia, średnica pola trybu i średnica okładziny. Ustaw metodę wyrównywania na Okładzinę, naciśnij przycisk Ustaw, a spawarka wyrówna się automatycznie.
Naciskaj przycisk Set przy każdym zatrzymaniu, aby potwierdzić jakość wyrównania. Spawanie zostanie wykonane automatycznie. Sprawdź jakość spawu, korzystając z kontroli jakości spawarki, a także widoku z kamery w regionie.
Dobry splot ma jednolitą granicę okładziny i jednolitą jasność wzdłuż włókna, tak że nie jest widoczne połączenie spawu. Następnie otwórz pokrywę spawarki i jeden z uchwytów światłowodów. Opcjonalnie można dodać tuleję światłowodową w celu ochrony spawu, a grzałka spawarki może być użyta do uformowania tulei na włóknie.
Połącz wyjście sumatora z aktywnym włóknem domieszkowanym iterbem. Postępuj zgodnie z wcześniej opisaną procedurą, aby rozszczepić włókno wyjściowe sumatora. Ze względu na kształt okładziny, włókno aktywne należy najpierw rozciąć i splótć kawałkiem włókna jednomodowego, które później zostanie usunięte.
Przetnij światłowód jednomodowy około dwóch centymetrów od punktu łączenia za pomocą przecinaka do drutu. Następnie usuń całą długość światłowodu jednomodowego i 0,5 centymetra światłowodu aktywnego, co pozostawi aktywne włókno pokryte dwoma centymetrami bezbuforowego światłowodu jednomodowego. Załaduj aktywne włókno do tasaka, upewniając się, że tylko włókno jednomodowe jest zaciśnięte przez zacisk światłowodowy.
Od tego momentu postępuj zgodnie z opisaną wcześniej procedurą rozszczepiania i łączenia włókna. Bezpieczeństwo jest najwyższym priorytetem. Pamiętaj, aby umieścić każdy kawałek włókna w pudełku na ostre przedmioty.
Ponadto laserowe okulary ochronne powinny być ostrzegane za każdym razem, gdy pompa pracuje. Włącz oscyloskop i ustaw przyrząd w tryb sprzężenia AC z poziomem wyzwalania ustawionym na 30 miliwoltów. Przenieś światłowód wejściowy fotodiody analizatora widma optycznego na wejście monochromatyczne i ustaw urządzenie w tryb OSA.
Następnie zablokuj fazę lasera, regulując płytki falowe. Obróć płytę ćwierćfalową 2 o kilka stopni do przodu iz powrotem. Widmo z blokadą modów składa się z dwóch stabilnych pików z plateau między nimi.
W międzyczasie obserwuj stabilny ciąg impulsów na oscyloskopie. Jeśli widmo blokujące tryb nie jest obserwowane, obróć płytkę ćwierćfalową 1 o kilka stopni w jednym kierunku i powtórz poprzedni krok. Jeśli widmo nadal nie jest obserwowane, obróć filtr dwójłomny o kilka stopni i powtórz proces.
Działanie z blokadą trybu zostało zweryfikowane po zakończeniu produkcji lasera światłowodowego. Widmo impulsów wyjściowych z oscylatora laserowego było wyśrodkowane w pobliżu 1070 nanometrów z charakterystycznym kształtem ucha kota, który wskazuje na blokowanie trybu zgodnie z przewidywaniami symulacji numerycznej. W celu dalszej diagnostyki pod kątem blokowania modów, czas trwania impulsu i widma mocy powtarzania impulsu zostały zmierzone odpowiednio za pomocą autokorelatora i analizatora widma częstotliwości radiowych.
Zmierzono czas trwania impulsu wynoszący 70 femtosekund. Stabilność impulsów testowano poprzez ciągłe monitorowanie średniej mocy wyjściowej i widma impulsów. Gdy zestaw laserowy został zamontowany na pływającym stole optycznym z tłumieniem drgań, dryft mocy wynosił mniej niż 3,5% w ciągu 24 godzin bez aktywnego chłodzenia.
Po zweryfikowaniu blokady trybu, wydajność obrazowania została przetestowana przy użyciu prostych celów testowych i próbek biologicznych. Fluorescencję mierzono podczas regulacji mocy impulsu, która sprawdzała, czy sygnał jest kwadratowo zależny od mocy lasera dostarczanego do płaszczyzny próbki. Barwione i niebarwione próbki biologiczne zostały zobrazowane za pomocą specjalnie zbudowanego lasera światłowodowego.
W ramach dodatkowej weryfikacji wzbudzenia dwufotonowego zebrano obrazy hiperspektralne wielokolorowych mikrosfer fluorescencyjnych z obrazami wykonanymi przez wzbudzenie liniowe za pomocą komercyjnych laserów diodowych. Na koniec porównano znormalizowane widma zielonych i czerwonych koralików wzbudzonych przez laser diodowy w porównaniu z niestandardowym laserem światłowodowym FS. Komponent wolnej przestrzeni można zastąpić odpowiednimi częściami światłowodowymi, co może jeszcze bardziej zwiększyć wytrzymałość i mobilność.
System składający się w całości z włókien można umieścić na wózku do scenariuszy klinicznych. Komponent wolnej przestrzeni można zastąpić odpowiednimi częściami światłowodowymi, co może jeszcze bardziej zwiększyć wytrzymałość i mobilność. System składający się w całości z włókien można umieścić na wózku do scenariuszy klinicznych.
Wpływ tej technologii jest kwestią otwartą. Przewidujemy, że zapewni to naukowcom nowy dostęp do technologii lasera femtosekundowego i umożliwi im opracowanie nowych publikacji.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę konstrukcji niskokosztowego, modemodulowanego femtosekundowego lasera światłowodowego, który znajduje potencjalne zastosowania w mikroskopii wielofotonowej, endoskopii oraz fotomedycynie. Laser został zbudowany z wykorzystaniem ogólnodostępnych części oraz podstawowych technik spawania światłowodów, co czyni go przystępnym rozwiązaniem dla badaczy.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Optyka
- Inżynieria biomedyczna
Wstęp
- Lasery femtosekundowe są niezbędnymi narzędziami w mikroskopii wielofotonowej.
- Oferują one przewagę nad tradycyjnymi ultrafastowymi laserami ze stanu stałego, w tym efektywność kosztową oraz kompaktowość.
- Lasery światłowodowe eliminują potrzebę chłodzenia wodnego, co pozwala na zmniejszenie rozmiarów systemu.
- Lasery te są odporne na wibracje dzięki brakowi konieczności kalibracji optycznej.
Cel badania
- Aby zapewnić kosztowo efektywną alternatywę dla komercyjnych laserów ultraszybkich.
- Aby ułatwić zastosowanie laserów femtosekundowych w różnych aplikacjach biomedycznych.
- Aby wykazać możliwość zbudowania lasera przy użyciu łatwo dostępnych komponentów.
Zastosowane metody
- Konstrukcja femtosekundowego laseru światłowodowego o całkowicie normalnej dyspersji.
- Wykorzystanie dostępnych komercyjnie komponentów do montażu.
- Zastosowanie podstawowych technik spawania światłowodów.
- Ocena wydajności lasera w mikroskopii wielofotonowej.
Główne wyniki
- Zbudowany laser jest kompaktowy i wytrzymały.
- Znacząco obniża on koszty w porównaniu z alternatywami komercyjnymi.
- Konstrukcja systemu umożliwia łatwą integrację z istniejącymi układami.
- Testy wydajności wskazują na przydatność urządzenia w zastosowaniach związanych z mikroskopią wielofotonową.
Wnioski
- Ta metoda stanowi praktyczną opcję dla badaczy potrzebujących laserów femtosekundowych.
- Niskokosztowa konstrukcja umożliwia szerszy dostęp do zaawansowanych technik obrazowania.
- Dalsze prace mogą obejmować badanie kolejnych ulepszeń oraz zastosowań w fotomedycynie.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia zespołom badawczo-rozwojowym w sektorze biofarmaceutycznym opracowanie kompaktowych i niskokosztowych systemów laserowych femtosekundowych do zastosowań w mikroskopii wielofotonowej, co pozwala obniżyć bariery finansowe w dostępie do zaawansowanego obrazowania. Dzięki wykorzystaniu komercyjnie dostępnych komponentów światłowodowych i standardowych technik spawania, podejście to wspiera szybkie prototypowanie i wdrażanie w przedklinicznych procesach obrazowania. Solidność i przenośność systemu ułatwiają badania translacyjne oraz potencjalną integrację z platformami obrazowania w punkcie opieki nad pacjentem lub systemami śródoperacyjnymi.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia obrazowanie struktur komórkowych i podkomórkowych o wysokiej rozdzielczości w celu walidacji wiązania z celem oraz modulacji szlaków w modelach chorób.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne charakterystyki impulsu, niezbędne do ilościowego wzbudzenia dwufotonowego i spójnych odczytów fluorescencji.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Wspiera analizy obrazowania bez znakowania oraz fluorescencyjne, wymagające precyzyjnego ogniskowania czasowego do analizy próbek tkanek w rozdzielczości głębokościowej.
- Wartość operacyjna: Dostarcza stabilne impulsy o czasie trwania 70 fs przy częstotliwości powtarzania 31 MHz, zapewniając spójną wydajność wzbudzenia w płytkach do przesiewania wysokoprzepustowego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia obrazowanie świeżych próbek tkanek oraz modeli intravitalnych przy minimalnym fotouszkodzeniu dzięki niskim wymaganiom dotyczącym średniej mocy.
- Wartość operacyjna: Konstrukcja w całości światłowodowa pozwala na integrację z sondami ręcznymi lub endoskopowymi w celu minimalnie inwazyjnego obrazowania przedklinicznego.
Integracja potoku i przepływu pracy
System laserowy wpisuje się w kontinuum odkryć – od walidacji celu po obrazowanie przedkliniczne, gdzie niezawodne dostarczanie impulsów jest kluczowe dla odczytów mechanistycznych i detekcji biomarkerów.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez obrazowanie wielofotonowe lokalizacji białek, przepływu jonów wapnia oraz aktywności metabolicznej w żywych komórkach.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do analiz dzięki spójnej energii impulsu i stabilności widmowej, co redukuje zmienność w odczytach opartych na fluorescencji.
- Analityka: Dostarcza wyników ilościowych, w tym czasu trwania impulsu, widma oraz stabilności mocy, co pozwala na korelację parametrów lasera z odpowiedziami biologicznymi.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną, umożliwiając obrazowanie tkanek ex vivo oraz modeli małych zwierząt z rozdzielczością subkomórkową.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Modułowa architektura całkowicie światłowodowa umożliwia ponowne wykorzystanie w wielu platformach obrazowania i adaptację do różnych zakresów długości fal za pomocą komponentów światłowodowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna danych obrazowych dzięki zweryfikowanemu działaniu w trybie blokady modów oraz kwadratowej zależności sygnałów dwufotonowych od mocy.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja za pomocą komercyjnie dostępnych komponentów i udokumentowanych procedur spawania włókien redukuje zmienność konfiguracji między laboratoriami.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach dzięki umożliwieniu wczesnej walidacji efektów działania leków w nienaruszonych systemach tkankowych z wykorzystaniem klinicznie istotnych modalności obrazowania.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowany do ryzyka postęp badań, dostarczając mechanistycznych danych obrazowych służących do podejmowania decyzji go/no-go w optymalizacji wiodących związków.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Do montażu i eksploatacji wymagana jest biegłość w spawaniu światłowodów oraz znajomość protokołów bezpieczeństwa laserowego.
- W zakresie instrumentacji niezbędne są analizatory widma optycznego, autokorelatory oraz analizatory widma RF do charakterystyki impulsów.
- Standaryzacja międzyzespołowa wymaga przeszkolenia w technikach weryfikacji blokowania modów w celu odróżnienia rzeczywistej pracy od operacji przypominającej szum.
- Rozważania dotyczące adaptacji obejmują zastąpienie komponentów w wolnej przestrzeni wersjami światłowodowymi w celu zwiększenia odporności w środowiskach klinicznych lub przemysłowych.
- Ograniczenia praktyczne obejmują konieczność ostrożnego obchodzenia się z fragmentami światłowodów oraz czułość na wyrównanie podczas wstępnej konfiguracji wnęki.
