Низкозатратные пользовательские изготовления и режим-заблокированоперации все-нормально-дисперсионный фемтосекундный лазер волокна для мультифотон микроскопии
22 ноября 2019 г.
Представлен метод создания специального недорогого, заблокированного в режиме фемтосекундного оптоволоконного лазера для потенциального применения в мультифотональной микроскопии, эндоскопии и фотомедицине. Этот лазер построен с использованием коммерчески доступных деталей и основных методов сращивания.
Фемтосекундные импульсные лазеры широко применения в мультифотонной микроскопии. Этот протокол может быть использован для изготовления фемтосекундного все-нормального лазера дисперсии волокна, который является компактным, надежным и недорогим. По сравнению с коммерческими твердотопливными сверхбыстрыми лазерами, лазер, производимый в этой технике, стоит гораздо меньше, потому что состоит только из коммерчески доступных деталей.
Кроме того, волоконные лазеры не нуждаются в охлаждении воды, поэтому размер системы меньше. И последнее, но не менее важные, компоненты волокна не требуют выравнивания, что делает систему надежной к вибрации. В отличие от коммерчески доступных систем, этот лазер не имеет крышки для блокирования нежелательных лучей.
Для сборки и эксплуатации лазера необходим опытный персонал. Некоторые эксперименты, как представляется, непроизводимы, потому что это очень вероятно, пропустит некоторые неназванные детали при следовать письменным инструкциям. В видео-демонстрации зрители ничего не пропустят.
Начните с сращивания одноотмечных волокон, или SMFs, для того, чтобы обеспечить надлежащую производительность сращивания оборудования, прежде чем более ценные волоконно-оптические материалы используются. Полоса примерно 30 миллиметров волокна с волоконно-полосатый инструмент. При работе с хрупкими волокнами, лезвие бритвы может быть использовано, чтобы тщательно снять буфер.
Используйте ткань без ворса с этанолом или изопропанолом для очистки раздетого волокна. Жужжащий звук во время вытирания указывает на то, что волокно достаточно чистое. Затем поместите держатель волокна на волокна тесак и убедитесь, что лезвие, волокна зажима тесак, и держатель волокна все чистые.
Тщательно загрузите волокно в держатель волокна оставляя приблизительно 25 миллиметров раздели чистое волокно на свободном конце тесак для того чтобы зажать. Аккуратно закройте зажим волокна на тесак. Чтобы избежать избыточного напряжения на волокне, вновь открыть и закрыть зажим.
Нажмите кнопку Cut и тесак будет автоматически сократить волокна. Используйте пинцет с пластиковыми округлыми кончиками, чтобы переместить кусок, вырезать из волокна в контейнер для удаления острых и передать держатель волокна для синтеза сращивания. Повторите процедуру, чтобы расщепить второе волокно.
2 волокна, которые будут сращивания вместе должны иметь расщепленные концы противостоящие друг другу держателей волокна в волокна сращивания. Закройте крышку сплайсера и установите такие параметры, как диаметр ядра, диаметр поля режима и диаметр облицовки. Установите метод выравнивания на облицовку, нажмите кнопку Set, и сплайсер автоматически выровняется.
Нажмите кнопку Set на каждой остановке, чтобы подтвердить качество выравнивания. Сращивание будет сделано автоматически. Проверьте качество сращивания с помощью контроля качества сплайсера, а также вид камеры региона.
Хорошая сращивание имеет однородную границу облицовки и однородную яркость вдоль волокна так, что не видно стыка сращивания. Затем откройте крышку сплайсера и один из держателей волокна. Опционально, рукав волокна может быть добавлен для защиты сращивания и нагреватель сращивания могут быть использованы для формы рукав на волокна.
Сращивать выход комбайна на активное волокно с иттербием. Следуйте ранее описанной процедуре, чтобы расщепить волокно выход комбайна. Из-за формы его облицовки, активное волокно должно быть сначала расщеплено и сращивается с куском одного режима волокна, которые позже будут удалены.
Вырежьте однорежимное волокно примерно на два сантиметра от точки сращивания с помощью проволоки. Затем, полоса всей длины одного режима волокна и 0,5 сантиметров активного волокна, которое оставит активное волокно ограничено двумя сантиметрами буферного одного режима волокна. Загрузите активное волокно в тесак убедившись, что только одного режима волокна зажаты волокна зажима.
С этого момента следуйте ранее описанной процедуре расщепливания и сращивания волокна. Безопасность является главным приоритетом. Не забудьте положить каждый кусок фрагмента волокна в коробку с острым предметом.
Кроме того, лазерные защитные очки должны быть предупреждать всякий раз, когда насос работает. Включите осциллоскоп и установите инструмент в режим соединения переменного тока с триггером уровня, установленного до 30 милливольт. Переместите оптическое анализатор спектра фотодиодное входное волокно на монохромный вход и установите устройство в режим OSA.
Затем заблокив фазу лазера, регулируя волновые пластины. Поверните четверть-Wave плиты 2 несколько градусов вперед и назад. Спектр блокировки режима состоит из двух стабильных пиков с плато между ними.
Между тем, наблюдать стабильный импульсный поезд на осциллоскопе. Если спектр блокировки режима не соблюдается, поверните четвертьволновой плиты на 1 несколько градусов в одном направлении и повторите предыдущий шаг. Если спектр все еще не наблюдается, поверните бирефрингный фильтр на несколько градусов и повторите процесс.
Режим-заблокированная работа была проверена после завершения изготовления волоконно-лазерного. Выход импульсного спектра из лазерного осциллятора был по центру около 1070 нанометров с характерной формой кошачьего уха, что указывает на блокировку режима, как предсказано численным моделированием. В качестве дополнительной диагностики для блокировки режима, продолжительность импульса и спектры силы повторения импульса были измерены с помощью автокоррелатора и радиочастотного анализа спектра соответственно.
Измерялась продолжительность пульса 70 фемтосекунд. Импульсная стабильность была проверена путем непрерывного мониторинга средней мощности и импульсного спектра. Когда лазерная установка была установлена на плавающем оптическом столе с вибрацией демпфирования, мощность дрейфа было менее 3,5% в течение 24 часов без активного охлаждения.
После проверки блокировки режима производительность изображения была протестирована с использованием простых тестовых целей и биологических образцов. Флуоресценция измерялась во время корректировки импульсной мощности, которая подтвердила, что сигнал четырехкратно зависит от лазерной мощности, поставляемой в образец плоскости. Запятнанные и необлянные биологические образцы были изображены с помощью специально построенного оптоволоконное лазера.
В качестве дополнительной проверки двухкордного возбуждения собранные гиперспектральные изображения многоцветных флуоресцентных микросфер сравнивались с изображениями, сделанными линейным возбуждением с коммерческими диодными лазерами. Наконец, нормализованные спектры зеленых и красных бусин, возбужденных диодным лазером по сравнению с пользовательским лазером волокна FS, были сравнены. Компонент свободного пространства может быть заменен соответствующими частями волокна, которые могут еще больше повысить надежность и мобильность.
Всеволокна система может быть поставлена на тележку для клинических сценариев. Компонент свободного пространства может быть заменен соответствующими частями волокна, которые могут еще больше повысить надежность и мобильность. Всеволокна система может быть поставлена на тележку для клинических сценариев.
Влияние этой технологии является открытым вопросом. Мы ожидаем, что это даст исследователям новый доступ к фемтосекундной лазерной технологии и позволит им разрабатывать новые публикации.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен метод создания недорогого фемтосекундного волоконного лазера с синхронизацией мод, который может найти применение в многофотонной микроскопии, эндоскопии и фотомедицине. Лазер собран из имеющихся в продаже компонентов с использованием стандартных методов сварки волокон, что делает его доступным вариантом для исследователей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Оптика
- Биомедицинская инженерия
Теоретическая часть
- Фемтосекундные импульсные лазеры являются незаменимыми инструментами в многофотонной микроскопии.
- Они обладают рядом преимуществ перед традиционными твердотельными ультрабыстрыми лазерами, включая экономическую эффективность и компактность.
- Волоконные лазеры избавляют от необходимости в водяном охлаждении, что позволяет уменьшить габариты системы.
- Данные лазеры устойчивы к вибрациям, так как не требуют юстировки.
Цель исследования
- Предложить экономически эффективную альтернативу коммерческим ультрабыстрым лазерам.
- Обеспечить возможность использования фемтосекундных лазеров в различных биомедицинских приложениях.
- Продемонстрировать возможность сборки лазера из общедоступных компонентов.
Используемые методы
- Сборка фемтосекундного волоконного лазера с полностью нормальной дисперсией.
- Использование коммерчески доступных компонентов для сборки.
- Применение базовых методов сварки волокон.
- Оценка характеристик лазера при использовании в многофотонной микроскопии.
Основные результаты
- Созданный лазер компактен и надежен.
- Он значительно снижает затраты по сравнению с коммерческими аналогами.
- Конструкция системы позволяет легко интегрировать ее в существующие установки.
- Результаты функциональных испытаний подтверждают пригодность устройства для применения в многофотонной микроскопии.
Выводы
- Данный метод представляет собой доступный вариант для исследователей, нуждающихся в фемтосекундных лазерах.
- Низкая стоимость конструкции способствует более широкому доступу к передовым методам визуализации.
- В дальнейших работах могут быть изучены дополнительные улучшения и возможности применения в фотомедицине.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный протокол позволяет научно-исследовательским группам в области биофармацевтики разрабатывать компактные и недорогие фемтосекундные лазерные системы для многофотонной микроскопии, снижая финансовые затраты на внедрение передовых методов визуализации. Благодаря использованию коммерчески доступных волоконных компонентов и стандартных методов сварки, данный подход способствует быстрому прототипированию и развертыванию систем в рабочих процессах доклинической визуализации. Надежность и портативность системы облегчают трансляционные исследования и ее потенциальную интеграцию в платформы для диагностики по месту оказания медицинской помощи или интраоперационной визуализации.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: Обеспечивает получение изображений клеточных и субклеточных структур с высоким разрешением для подтверждения взаимодействия с мишенью и модуляции путей в моделях заболеваний.
- Практическая ценность: Обеспечивает воспроизводимые характеристики импульса, необходимые для количественного двухфотонного возбуждения и получения стабильных показателей флуоресценции.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Поддерживает безмаркерные и флуоресцентные методы визуализации, требующие точной временной фокусировки для анализа образцов тканей с разрешением по глубине.
- Эксплуатационная ценность: Обеспечивает стабильные импульсы длительностью 70 fs при частоте повторения 31 MHz, что гарантирует постоянную эффективность возбуждения на планшетах для высокопроизводительного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: позволяет визуализировать свежие образцы тканей и интравитальные модели с минимальным фотоповреждением благодаря низким требованиям к средней мощности.
- Практическая ценность: полностью волоконная конструкция позволяет интегрировать систему в ручные или эндоскопические зонды для минимально инвазивной доклинической визуализации.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данная лазерная система вписывается в общий цикл исследований — от валидации мишени до доклинической визуализации, где надежная подача импульсов имеет решающее значение для получения механистических данных и детектирования биомаркеров.
- Биология открытий: Обеспечивает проверку гипотез с помощью многофотонной визуализации локализации белков, потока ионов кальция и метаболической активности в живых клетках.
- Скрининг: Обеспечивает готовность анализа за счет стабильности энергии импульса и спектра, что снижает вариабельность результатов на основе флуоресценции.
- Аналитика: Предоставляет количественные данные, включая длительность импульса, спектр и стабильность мощности, для корреляции параметров лазера с биологическим ответом.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями, позволяя визуализировать ткани ex vivo и модели на мелких животных с субклеточным разрешением.
- Корпоративное повторное использование: Модульная полностью волоконная архитектура позволяет использовать систему на различных платформах визуализации и адаптировать её под разные диапазоны длин волн с помощью волоконных компонентов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение достоверности прогностических данных визуализации за счет подтвержденной работы в режиме синхронизации мод и квадратичной зависимости мощности двухфотонных сигналов.
- Практическая ценность: Стандартизация с помощью коммерчески доступных компонентов и документированных процедур сварки волокон снижает вариативность установки между различными лабораториями.
- Стратегическая ценность: Снижение биологических рисков на поздних стадиях за счет возможности ранней валидации эффектов лекарственных препаратов в интактных тканевых системах с использованием клинически значимых методов визуализации.
- Влияние на портфель проектов: Поддержка обоснованного продвижения разработок путем предоставления механистических данных визуализации для принятия решений о продолжении или прекращении проекта (go/no-go) на этапе оптимизации соединений-лидеров.
Особенности реализации
- Для сборки и эксплуатации требуются навыки сварки оптоволокна и знание протоколов лазерной безопасности.
- Для характеризации импульсов потребуется следующее оборудование: анализаторы оптического спектра, автокорреляторы и анализаторы радиочастотного спектра.
- Стандартизация между исследовательскими группами требует обучения методам верификации синхронизации мод для дифференциации истинного режима работы от шумоподобного.
- При адаптации системы следует рассмотреть возможность замены компонентов свободного пространства на оптоволоконные версии для повышения надежности в клинических или промышленных условиях.
- Практические ограничения включают необходимость осторожного обращения с фрагментами волокна и чувствительность к юстировке при первоначальной настройке резонатора.
