Name: Fabricação personalizada de baixo custo e operação bloqueada pelo modo de um laser de fibra femtosecond de dispersão normal para microscopia multifoton (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-11-22T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Aprenda a construir um laser de fibra femtosecond de baixo custo para microscopia multifoton usando componentes comerciais. Este método compacto e robusto elimina refrigeração por água e facilita a integração em sistemas existentes.

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Agradecemos aos Drs. E. Cronin-Furman e M. Weitzman (Olympus Corporation do Americas Scientific Solutions Group) pela assistência na aquisição de imagens. Este trabalho foi apoiado pelo National Institutes of Health Grant K22CA181611 (para B.Q.S.) e pela Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (para B.Q.S.).

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</ol>

Os autores não declaram interesses concorrentes.

Os protocolos descritos aqui sintetizam know-how e experiência que têm sido prática comum no laboratório de física laser por décadas, mas que é freqüentemente desconhecido para muitos pesquisadores biomédicos. Este trabalho tenta tornar esta tecnologia laser de fibra ultrarrápida mais acessível à comunidade em geral. O projeto do laser da fibra de ANDi é bem-estabelecido, como desenvolvido primeiramente em trabalhos seminais por Sábio e por colegas3. No entanto, as implementações dessa tecnologia ...

Os lasers pulsados do femtosecond (fs) do estado contínuo são amplamente usados para a microscopia e a pesquisa biológica. Um exemplo típico é o uso de microscopia de fluorescência de excitação multifoton (MPE), onde a alta potência de pico e a baixa potência média são desejadas para facilitar o processo de MPE, minimizando os mecanismos de danos fotográficos. Muitos lasers de estado sólido de alto desempenho estão disponíveis comercialmente, e quando combinados com um oscilador paramétrico óptico (OPO), o comprimento de onda laser pode ser ajustado ao longo de uma ampla gama1. Por exemplo, os sistemas oscilador-OPO comerciais geram durações de pulso de 120 mejões (normalmente com uma taxa de repetição de pulso de 80 MHz) e potência média >1 W de 680 a 1.300 nm. No entanto, o custo desses sistemas a laser comerciais de fs tunable é significativo (>$200,000), e os sistemas de estado sólido geralmente exigem resfriamento de água e não são portáteis para aplicações clínicas.
Ultrashort pulsado tecnologia laser de fibra amadureceu nos últimos anos. O custo de um laser de fibra pulsada fs comercial é tipicamente significativamente menor do que lasers de estado sólido, embora sem a capacidade de ajuste de comprimento de onda amplo proporcionado pelos sistemas de estado sólido mencionados acima. Note-se que os lasers de fibra podem ser emparelhados com OPOs quando desejado (ou seja, sistemas híbridos de fibra sólida-estado). A grande relação superfície-volume de sistemas de laser de fibra permite resfriamento de ar eficiente2. Assim, os lasers de fibra são mais portáteis do que os sistemas de estado sólido devido ao seu tamanho relativamente pequeno e sistema de resfriamento simplificado. Além disso, a emenda de fusão dos componentes de fibra reduz a complexidade do sistema e a deriva mecânica em contraste com o alinhamento do espaço livre dos componentes ópticos que compõem dispositivos de estado sólido. Todas essas características tornam os lasers de fibra ideais para aplicações clínicas. Na verdade, lasers de fibra sumida foram desenvolvidos para a operação de baixa manutenção3,4,5,e todos os lasers de fibra de polarização (PM) são estáveis para fatores ambientais, incluindo mudanças de temperatura e umidade, bem como vibrações mecânicas2,6,7,8.
Aqui, um método é apresentado para construir um laser de fibra ANDi pulsado fs econômico com peças comercialmente disponíveis e técnicas padrão de emenda de fibra. Métodos para caracterizar a taxa de repetição do pulso, duração e coerência (full mode-lock) também são apresentados. O laser de fibra resultante gera pulsos bloqueados pelo modo que podem ser comprimidos para 70 fs com uma taxa de repetição de 31 MHz e um comprimento de onda centrado em 1.060 a 1.070 nm. A potência máxima da cavidade laser é de aproximadamente 1 W. A física do pulso de lasers de fibra ANDi utiliza elegantemente a evolução da polarização não linear intrínseca à fibra óptica como um componente chave do absorvente saturável2,3,9,10,11. No entanto, isso significa que o projeto ANDi não é facilmente implementado usando fibra PM (embora uma implementação de fibra de TODOS OS PM de andi modo de bloqueio tem sido relatado, embora com baixa potência e ps pulsação duração12). Assim, a estabilidade ambiental requer engenharia significativa. Projetos de laser de fibra de próxima geração, como o oscilador Mamyshev, têm o potencial de oferecer estabilidade ambiental completa como dispositivos de fibra de PM capazes de um aumento de ordem de magnitude na energia do pulso intracavidade, bem como oferecer diminuições significativas na duração do pulso para permitir aplicações que dependem de espectros de pulsoamplos 13,14. A fabricação feita encomenda destes projetos novos inovativos do laser da fibra dos fs exige a experiência do splicing do know-how e da fibra.

<table><tbody><tr><td>Adaptadores, espelhos, postes, montagens e estágio de translação (optomecânica)</td><td>Thorlabs</td><td>TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)</td><td>Componentes ópticos padrão</td></tr><tr><td>Cutelo de fibra óptica avançado</td><td>AFL</td><td>CT-100</td><td></td></tr><tr><td>Autocorrelacionador</td><td>Femtochrome</td><td>FR-103XL/IR/FA/CDA</td><td></td></tr><tr><td>Montagem do divisor de feixes</td><td>Thorlabs</td><td>BSH1/M</td><td></td></tr><tr><td>Splicer de fusão de fábrica</td><td>AFL</td><td>FSM-100P</td><td></td></tr><tr><td>Colimadores de fibra</td><td>OZ Optics (Canadá)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>3x</td></tr><tr><td>Detector de fotodiodo de alta velocidade acoplado a fibra</td><td>Thorlabs</td><td>DET08CFC</td><td></td></tr><tr><td>Isolador de espaço livre</td><td>Thorlabs</td><td>IO-5-1050-HP</td><td></td></tr><tr><td>Isolador de espaço livre</td><td>Thorlabs</td><td>IO-3D-1050-VLP</td><td></td></tr><tr><td>Meia placa de onda</td><td>Union Optics (China</td><td>)WPZ2312</td><td>2x</td></tr><tr><td>Módulo de bomba de fibra multimodo de alta potência</td><td>Gauss Lasers (China)</td><td>Bomba-MM-976-10</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de alta potência e combinador de sinal</td><td>ITF Technology (Canadá)</td><td>MMC02112DF1</td><td></td></tr><tr><td>Gel de correspondência de índice</td><td>Thorlabs</td><td>G608N3</td><td></td></tr><tr><td>Analisador de espectro óptico</td><td>Keysight</td><td>Agilent 70951B</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscópio</td><td>Keysight</td><td>Agilent 54845A</td><td></td></tr><tr><td>Fibra dupla passiva (5/130 &mu; m)</td> <td>Tecnologia ITF (Canadá)</td><td>MMC02112DF1</td><td>3m, Incluído com combinador</td></tr><tr><td>Divisor de feixe polarizador</td><td>Thorlabs</td><td>PBS253</td><td></td></tr><tr><td>Placas de onda de um quarto</td><td>Union Optics (China</td><td>)WPZ4312</td><td>2x</td></tr><tr><td>Placa de filtro birrefringente de quartzo</td><td>Newlight (Canadá)</td><td>BIR1060</td><td></td></tr><tr><td>Analisador de espectro de RF</td><td>Tektronix</td><td>RSA306B</td><td></td></tr><tr><td>Fibra monomodo (6/125 &mu; m)</td><td>OZ Optics (Canadá)</td><td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td><td>1m, Incluído com colimadores</td></tr><tr><td>Acoplador de fibra monomodo</td><td>AFW (Austrália)</td><td>FOSC-2-64-30-L-1-H64-2</td><td></td></tr><tr><td>Grade de difração de transmissão 1</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-3212-94</td><td>Para compressor</td></tr><tr><td>Grade de difração de transmissão 2</td><td>LightSmyth</td><td>T-1000-1040-60x12.3-94</td><td>Para compressor</td></tr><tr><td>Montagem de rotação de placa de onda</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1 / M</td><td>4x</td></tr><tr><td>fibra dupla revestida de modo único dopado com itérbio</td><td>Thorlabs</td><td>YB1200-6 / 125DC</td><td>3m</td></tr></tbody></table>

fabricação personalizada de baixo custo e operação bloqueada pelo modo de um laser de fibra femtosecond de dispersão normal para microscopia multifoton

Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

Um protocolo é apresentado para construir um laser de fibra de femtosegundo (femtosecond) de baixo custo personalizado. Este laser de fibra com dopado de ytterbium (ANDi) é construído completamente usando peças comercialmente disponíveis, incluindo US$ 8.000 em componentes a laser de fibra óptica e bomba, além de US$ 4.800 em componentes ópticos padrão e acessórios extra-cavidade. Pesquisadores novos para a fabricação de dispositivos de fibra óptica também podem considerar investir em equipamentos básicos de emenda de fibra e caracterização de pulso a laser (~$63,000). Importante para a operação ideal do laser, os métodos para verificar o desempenho modo-fechado verdadeiro contra aparente (parcial ou ruído-como) são apresentados. Este sistema atinge 70 fs duração do pulso com um comprimento de onda central de aproximadamente 1.070 nm e uma taxa de repetição do pulso de 31 MHz. Este laser de fibra exibe o desempenho máximo que pode ser obtido para um sistema laser de fibra facilmente montado, o que torna este projeto ideal para laboratórios de pesquisa com o objetivo de desenvolver tecnologias laser fs compactas e portáteis que permitem novas implementações de microscopia multifoto clínica e cirurgia fs.

É fundamental verificar a operação bloqueada pelo modo após a conclusão dos procedimentos de fabricação de laser de fibra. Assinaturas de geração de pulso fs ideal e estabilidade laser são as seguintes: Primeiro, o pulso de saída pode ser suficientemente caracterizado pela instrumentação delineada na etapa 6. A saída do espectro de pulso do oscilador de laser deve ser centrada perto de 1.070 nm com a característica orelha-gato ou forma do Batman que indica o bloqueio do modo, como previst...

Um método é apresentado para construir um laser de fibra de femtosegundo personalizado de baixo custo e bloqueado pelo modo para aplicações potenciais em microscopia multifoton, endoscopia e fotomedicina. Este laser é construído usando peças comercialmente disponíveis e técnicas básicas de emenda.

Fabricação personalizada de baixo custo e operação bloqueada pelo modo de um laser de fibra femtosecond de dispersão normal para microscopia multifoton

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

Os lasers de pulso femtosegundo têm amplas aplicações em miscroscopia multifotônio. Este protocolo pode ser usado para fabricar um laser de fibra de dispersão normal femtosegundo que é compacto, robusto e barato. Comparado com lasers ultrarrápios comerciais de estado sólido, o laser produzido nesta técnica custa muito menos porque consiste apenas em peças disponíveis comercialmente.Além disso, os lasers de fibra não precisam de resfriamento de água, por isso o tamanho do sistema é menor. Por último, mas não menos importante, os componentes de fibra não requerem alinhamento, o que torna o sistema robusto à vibração. Ao contrário dos sistemas disponíveis comercialmente, este laser não tem uma tampa para bloquear feixes indesejados.Pessoal experiente é necessário para montar e operar o laser. Alguns experimentos parecem ser irreproduizáveis porque é muito provável que perca alguns detalhes desnecessários ao seguir instruções escritas. Na demonstração de vídeo, os telespectadores não perderão nada.Comece por emendar fibras de modo único, ou SMFs, a fim de garantir o bom desempenho do equipamento de emenda antes que materiais de fibra óptica mais valiosos sejam usados. Retire aproximadamente 30 milímetros da fibra com uma ferramenta de descascamento de fibras. Se trabalhar com fibras frágeis, uma lâmina de barbear pode ser usada para retirar cuidadosamente o tampão.Use um tecido sem fiapos com etanol ou isopropanol para limpar a fibra descascada. Um zumbido durante a limpeza indica que a fibra está suficientemente limpa. Em seguida, coloque o suporte de fibra no cutelo de fibra e certifique-se de que a lâmina, o grampo de fibra do cutelo e o suporte de fibra estejam todos limpos.Carregue cuidadosamente a fibra no suporte de fibras deixando aproximadamente 25 milímetros de fibra limpa descascada na extremidade livre do cutelo para fixar. Feche delicadamente o grampo de fibra no cutelo. Para evitar o excesso de tensão na fibra, reabra e feche o grampo.Pressione o botão Cortar e o cutelo cortará automaticamente a fibra. Use pinças com pontas arredondadas de plástico para mover a peça cortada da fibra para um recipiente de disposição afiada e transferir o suporte de fibra para o emendador de fusão. Repita o procedimento para cortar a segunda fibra.As duas fibras a serem emendadas devem ter extremidades cortadas opostas umas às outras pelos suportes de fibra dentro do emendador de fibras. Feche a tampa do emendador e estabeleça parâmetros como Diâmetro do Núcleo, Diâmetro do Campo do Modo e Diâmetro do Revestimento. Defina o método de alinhamento para o revestimento, pressione o botão Definir e o emendador se alinhará automaticamente.Pressione o botão Definir em cada parada para confirmar a qualidade do alinhamento. A emenda será feita automaticamente. Verifique a qualidade da emenda utilizando os controles de qualidade do emendador, bem como a visão da câmera da região.Uma boa emenda tem um limite uniforme de revestimento e brilho uniforme ao longo da fibra de tal forma que nenhuma conjuntura de emenda é visível. Em seguida, abra a tampa do emendador e um dos suportes de fibra. Opcionalmente, uma manga de fibra pode ser adicionada para proteger a emenda e o aquecedor do emendador pode ser usado para moldar a manga sobre a fibra.Mescorte a saída do combinador à fibra ativa dopada por ytterbium. Siga o procedimento descrito anteriormente para cortar a fibra de saída do combinador. Devido à forma de seu revestimento, a fibra ativa deve primeiro ser cortada e emendada com uma peça de fibra de modo único que será posteriormente removida.Corte a fibra de modo único a cerca de dois centímetros do ponto de emenda com um cortador de arame. Em seguida, retire toda a extensão da fibra de modo único e 0,5 centímetros da fibra ativa que deixará a fibra ativa tampada com dois centímetros de fibra de modo único sem buffer. Carregue a fibra ativa no cutelo certificando-se de que apenas a fibra de modo único esteja presa pelo grampo de fibra.A partir deste ponto, siga o procedimento descrito anteriormente para cortar e emendar a fibra. Segurança é a prioridade máxima. Lembre-se de colocar cada pedaço de fragmento de fibra na caixa de objeto afiada.Além disso, os óculos de segurança a laser devem ser avisados sempre que a bomba estiver funcionando. Ligue o osciloscópio e ajuste o instrumento para o modo de acoplamento CA com o nível do gatilho definido para 30 milvolts. Mova a fibra de entrada do analisador de espectro óptico para a entrada monocromática e ajuste o dispositivo para o modo OSA.Em seguida, bloqueie a fase do laser ajustando as placas de onda. Gire a placa de quarta onda 2 graus para frente e para trás. O espectro de bloqueio de modo consiste em dois picos estáveis com um platô entre eles.Enquanto isso, observe um trem de pulso estável no osciloscópio. Se o espectro de bloqueio de modo não for observado, gire a placa de quarta-onda 1 vários graus em uma direção e repita a etapa anterior. Se o espectro ainda não for observado, gire o filtro birefringent vários graus e repita o processo.A operação bloqueada foi verificada após a conclusão da fabricação de laser de fibra. A saída do espectro de pulso do oscilador laser foi centrada perto de 1070 nanômetros com a forma característica da orelha do gato, o que indica o bloqueio do modo, como previsto pela simulação numérica. Como um novo diagnóstico para bloqueio de modo, os espectros de duração do pulso e de repetição de pulso foram medidos usando o analisador de espectro de autocorrelador e radiofrequência, respectivamente.Foram medidas as durações do pulso de 70 femtosegundos. A estabilidade do pulso foi testada monitorando continuamente a potência média de saída e o espectro de pulso. Quando a configuração do laser foi montada em uma mesa óptica flutuante com amortecimento de vibração, a deriva de potência foi inferior a 3,5% ao longo de 24 horas sem resfriamento ativo.Após a verificação do bloqueio do modo, o desempenho da imagem foi testado utilizando alvos de teste simples e amostras biológicas. A fluorescência foi medida durante os ajustes da potência de pulso que verificaram que o sinal era quadráticomente dependente da potência laser entregue ao plano amostral. Espécimes biológicos manchados e não manchados foram imagens usando o laser de fibra personalizado.Como uma verificação adicional da excitação de dois fótons, as imagens hiperespectrais coletadas de microesferas fluorescentes multicoloridas foram comparadas com imagens tiradas por excitação linear com lasers comerciais de diodo. Finalmente, foram comparados os espectros normalizados de contas verdes e vermelhas animados pelo laser de diodo versus o laser de fibra FS personalizado. O componente de espaço livre pode ser substituído por peças de fibra correspondentes que podem aumentar ainda mais a robustez e a mobilidade.O sistema de fibras pode ser colocado em um carrinho para cenários clínicos. O componente de espaço livre pode ser substituído por peças de fibra correspondentes que podem aumentar ainda mais a robustez e a mobilidade. O sistema de fibras pode ser colocado em um carrinho para cenários clínicos.O impacto dessa tecnologia é uma questão em aberto. Prevemos que dará aos pesquisadores um novo acesso à tecnologia laser femtosegundo e permitirá que eles desenvolvam novas publicações.

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