Summary
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.
Abstract
Представлен протокол для создания специального недорогого, но высокопроизводительного фемтосекундного (fs) оптоволоконного лазера. Это все нормально-дисперсии (ANDi) ytterbium-легированный волоконный лазер построен полностью с использованием коммерчески доступных частей, в том числе $ 8000 в волоконно-оптических и насосных лазерных компонентов, а также $ 4800 в стандартных оптических компонентов и дополнительных полостей аксессуары. Исследователи новые волоконно-оптические устройства изготовления могут также рассмотреть вопрос об инвестировании в основные волокна сращивания и лазерного импульса характеристики оборудования (63000). Важно для оптимальной работы лазера, методы для проверки истинной и очевидной (частичной или шумоподобной) режим-locked производительности представлены. Эта система достигает 70 fs продолжительности импульса с центральной длиной волны приблизительно 1,070 nm и частотой повторения импульса 31 МГц. Это волокно лазер экспонатов пиковой производительности, которые могут быть получены для легко собранных волоконно-лазерной системы, что делает этот дизайн идеально подходит для научно-исследовательских лабораторий, направленных на разработку компактных и портативных fs лазерных технологий, которые позволяют новые реализации клиническая мультифотоническая микроскопия и fs хирургия.
Introduction
Для микроскопии и биологических исследований широко используются импульсные лазеры твердого состояния (fs) для микроскопии и биологических исследований. Одним из типичных примеров является использование мультифотонной микроскопии флуоресценции (MPE), где высокая пиковая мощность и низкая средняя мощность желательно облегчить процесс MPE при минимизации механизмов фотоповреждения. Многие высокопроизводительные твердотельные лазеры коммерчески доступны, и в сочетании с оптическим параметрическим осциллятором (OPO), длина лазерной волны может быть настроена на широкий диапазон1. Например, коммерческие системы осциллятора-OPO генерируют продолжительность импульса lt;120 fs (обычно с частотой повторения импульса 80 МГц) и 1 Вт средней мощности от 680 до 1300 нм. Тем не менее, стоимость этих коммерческих настраиваемых fs лазерных систем является значительным (200 000 долл. США), а системы твердого тела, как правило, требуют водяного охлаждения и не являются портативными для клинического применения.
Ультракороткие импульсные волоконные лазерные технологии созрели в последние несколько лет. Стоимость коммерческого fs импульсного волокна лазера, как правило, значительно ниже, чем твердотельные лазеры, хотя и без возможности широкой настройки длины волны, предоставляемые твердотельных систем, упомянутых выше. Обратите внимание, что волоконные лазеры могут быть в паре с OPOs при желании (т.е. гибридные волоконно-твердо-государственные системы). Большое соотношение поверхностных и объемных волоконных лазерных систем обеспечивает эффективное охлаждение воздуха2. Таким образом, волоконные лазеры являются более портативными, чем твердотельные системы из-за их относительно небольшого размера и упрощенной системы охлаждения. Кроме того, слияние компонентов волокна снижает сложность системы и механический дрейф в отличие от выравнивания свободного пространства оптических компонентов, составляющих твердотельные устройства. Все эти функции делают волоконные лазеры идеальными для клинического применения. В самом деле, все волокна лазеры были разработаны для низкой эксплуатации операции3,4,5,и все-поляризации-поддержания (PM) волокна лазеры стабильны к факторам окружающей среды, включая изменения температуры и влажности, а также механические вибрации2,6,7,8.
Здесь представлен метод создания экономичного fs импульсного оптоволоконного лазера ANDi с коммерчески доступными частями и стандартными методами сращивания волокон. Также представлены методы, характеризующие частоту повторения импульса, продолжительность и согласованность (полный режим блокировки). Полученный оптоволоконный лазер генерирует запертые в режиме импульсы, которые могут быть сжаты до 70 fs с частотой повторения 31 МГц и длиной волны, сосредоточенной на 1060 до 1070 нм. Максимальная мощность лазерной полости составляет примерно 1 Вт. Физика импульса anDi волоконных лазеров элегантно использует нелинейную эволюцию поляризации, присущую оптическому волокну в качестве ключевого компонента сатурантного амортизатора2,3,9,10,11. Тем не менее, это означает, что дизайн ANDi не легко реализовать с помощью волокна PM (хотя все-PM волокна реализации ANDi режим блокировки было сообщено, хотя и с низкой мощностью и ps пульс продолжительность12). Таким образом, экологическая стабильность требует значительных инженерных работ. Следующее поколение волоконных лазерных конструкций, таких как осциллятор Mamyshev, имеют потенциал, чтобы предложить полную экологическую стабильность, как все-PM-волокна устройства, способные на порядок величины увеличение энергии импульса intracavity, а также предлагает значительное снижение продолжительности импульса, чтобы приложения, которые полагаются на широкий импульсспектра 13,14. Пользовательские изготовления этих инновационных новых fs волокна лазерных конструкций требует ноу-хау и волокна сплайсинга опыт.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Волокна одного режима Splice (SMF)
ПРИМЕЧАНИЕ: Раздел 1 состоит из общих шагов для сращивания SMFs. Это несущественный, но рекомендуется, шаг для практикующих волокна сращивания с использованием недорогих волокон. Этот шаг обеспечивает надлежащую производительность сплайсингового оборудования перед использованием более ценных волоконно-оптических материалов.
- Расщепляйте первое волокно.
- Произвластная примерно 30 мм волокна с помощью инструмента зачистки волокна. Для хрупких волокон (например, двойных плакированных волокон) лезвие бритвы может быть использовано для тщательной очистки буфера.
- Используйте ткань без ворса с этанолом или изопропанолом для очистки лишенного волокна. Шумный звук при вытирании волокна указывает на то, что волокно достаточно чистое.
- Поместите держатель волокна на стеклотеру волокна. Убедитесь, что лезвие, волокна зажим тесак, и волокна держатель все чистые. Хлопковые тампоны с алкоголем могут быть использованы для очистки этих частей тесак.
- Тщательно загрузите волокно в держатель волокна. Оставьте примерно 25 мм раздели, чистое волокно на свободном конце для тесак для зажима.
- Аккуратно закройте зажим волокна на тесаке. Чтобы избежать дополнительного напряжения, нанесенного на волокно, вновь откройте и закройте зажим так, чтобы напряжение было освобождено.
- Нажмите кнопку "вырезать" и тесак будет автоматически расщеплять волокна.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы убедиться, что волокно остается чистым, ничто не должно касаться кончика волокна после прищеи. - Перенесите держатель волокна на термоядерный сплайсер. Используйте пинцет, чтобы переместить кусок отрезали от волокна в контейнер для удаления острых.
ВНИМАНИЕ: Твердый пинцет и острые кончики пинцета могут сломать волокно. Соответствующий пинцет для обработки волоконной оптики должны иметь пластиковые, округлые кончики.
- Расщепляйте второе волокно.
- Повторите шаг 1.1 на втором волокне с другим держателем волокна. Два волокна, которые должны быть сращиваются должны быть расщеплены с расщепляющимися концами, удерживаемыми друг против друга держателями волокна в оптоволоконном сплайсере.
- Закройте крышку сплайсера.
- Сплавить волокна.
- Настройка параметров на термоядерном сплайсере, включая диаметр ядра, диаметр моего поля (MFD) и диаметр облицовки. Установите метод выравнивания для облицовки.
- Нажмите кнопку "Пуск", и сплайсер выровняется автоматически.
ПРИМЕЧАНИЕ: Можно получить сообщения об ошибках относительно плохой формы расщепляния или большого угла расщепляния. Это, как правило, из-за плохой расщеплять или загрязнения волокна после расщеплять. Если это происходит, повторите процедуру размыва волокна. - Нажмите кнопку запуска на каждой остановке, чтобы подтвердить качество сращивания. Сращивания будет сделано автоматически.
- Проверьте качество сращивания с помощью проверок качества, выполняемых сплайсером, а также с помощью просмотра камеры области сращивания. Хорошее сращивание имеет единую границу облицовки и равномерной яркости вдоль волокна, так что не сращивания сращивания видно.
ПРИМЕЧАНИЕ: Волокна сплайсаторы часто включают оптику для проверки сращивания и оценки потери мощности на основе измеренной геометрии, формы и преломления света через волокно, используя источник перпендикулярно к волокну для просмотра, изображения и анализа сращивания сустава. Конечно, это только оценка, но в большинстве случаев ее достаточно. Для одинаковых волокон сплайсер оценит эту потерю как 0 дБ (т.е. без обнаруживаемых потерь). Из предыдущих результатов с различными волокна сращивания, описанные ниже, сплайсер оценки потерь энергии варьируются от 0,07 дБ (сращивания точек B и C, Рисунок 1) до 0,3 дБ (точка D). Эти оценки, скорее всего, переоценивают потери из-за несовместимой геометрии и преломления несходной волоконной оптики, которые ложно выглядят как дефектные объекты. - Откройте крышку сплайсера, затем откройте один из держателей волокна. Другой держатель волокна не должен быть открыт до тех пор, пока сращиваемое волокно не будет удалено из сплайсера.
- В качестве опции, волокна рукав может быть добавлен для защиты сращивания. Подогреватель на сплайсере может быть использован для формы рукав на волокна. Кроме того, горячий пневматический пистолет может быть использован.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если два волокна очень длинные или прикреплены к другим компонентам, рукав должен быть поставлен на одно из волокон перед расщеплетельством, а затем он может быть перемещен в точку сращивания. Рукав волокна действует как трубка усадки жары в электронных схемах. Он может быть использован для защиты точки сращивания от изгиба или потянув силы. Вместо этого можно использовать стеклоочиститель для покрытия точки сращивания для максимальной защиты точки сращивания механических повреждений, хотя и при значительных дополнительных расходах, поскольку это оборудование необходимо приобрести, если оно не доступно.
2. Соберите волокна частей
- Splice насосвыходного волокна lt;1 "gt; с насосом ввода lt;2"gt; комбайна сигнала насоса (см. диаграмму волокна лазера, Рисунок 1).
- Следуйте раздел участок 1, чтобы расщеплять и сращивания волокон. Используйте настройки программы BASIC I SP по умолчанию, за исключением параметров волокна (2-A и 2-B), которые должны быть ввода вручную. Параметры сращивания, которые необходимо ввести, можно найти в таблице 1.
- Splice комбайна выход юл;3 "gt; к Yb-допинг активного волокна.
- Следуйте шагу 1.1, чтобы расщеплять комбайн выходное волокно lt;3'gt;.
- Расщепляйся активное волокно злт;4 "gt;.
ПРИМЕЧАНИЕ: Потому что активное волокно злт;4 'gt; имеет восьмиугольную облицовку, оно не приспосабливает V-groove тесак волокна. Таким образом, простой расщепляние, как описано в шаге 1.1 даст относительно большой угол расщепляться. Таким образом, следующие шаги наметить специальный протокол для достижения плоского угла расщепляться с помощью того же оборудования.- Следуйте разделу 1, чтобы расщеплять и сращивания активного волокна lt;4 'gt; и кусок 6/125 SMF. Это SMF удаляется позже и не включенв в лазер. Поэтому приемлемо, если качество этого угла расщепляния является плохим. Не важно получить плоский угол расщеплять для этого шага.
- Отрежьте SMF около 2 см от точки сращивания с резаком провода.
- Полоса по всей длине SMF, и полоса активного волокна еще на 0,5 см. Теперь активное волокно ограничено 2 см безбуфера SMF.
- Загрузите активное волокно в тесак, как в шагах 1.1.3-1.1.5. Убедитесь, что только SMF, который имеет круговую облицовку, зажима ется волокна.
- Выполните шаги 1.1.6 и 1.1.7, чтобы расщеплять активное волокно .lt;4'gt;. Так как только SMF находится в V-паз, это расщепляние даст минимальный угол расщепля.
- Следуйте шагу 1.3 для сращивания волокон.
- Грубо измерить общую мощность от дистального конца активного волокна lt;4 'gt;.
- Вырезать активное волокно злт;4 "gt; на 3 м от точки сращивания lt;B.gt;. Более длинное активное волокно может быть использовано для более высокой мощности выхода, но скорость повторения будет уменьшена из-за увеличения длины полости.
- Расставьте конец злт;4C,gt; как уже упоминалось в шаге 1.1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку измерение мощности на следующем этапе оценивается, нет необходимости использовать метод, упомянутый в шаге 2.2.2. - Направьте волокно к счетчику мощности и соберите волокнизм и счетчик мощности без физического контакта.
ВНИМАНИЕ: Положив кончик волокна слишком близко к счетчику мощности, возможно, повредит датчик счетчика мощности, так как световая сила сконцентрирована в небольшой точке на датчике. Чтобы избежать этого, используйте минимальную надежную мощность насоса. - Прочитайте выход из счетчика мощности. Большой (no gt;80%) эффективность пропускной способностью указывает на достаточное качество сращивания в точках злт;АЗgt; и lt;B.gt;.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это нормально иметь некоторую потерю мощности из-за поглощения активного волокна и из-за неэффективности метода соединения с измеритель мощности, как упоминалось в шагах 2,3,2 до 2,3.3.
- Splice активное волокно злт;4 "gt; для ввода lt;5"gt; коллиматора lt;Col1 "gt;
- Следуйте шагу 2.2.2, чтобы расщеплять активное волокно злить;4 "gt; на конце lt;C'gt; быть сращиваются к коллиматору.
- Отрежьте входные qlt;5'gt; коллиматора злт;Col1'gt; до приблизительно 40 сантиметров.
ПРИМЕЧАНИЕ: Длина пассивного волокна (Злт;5-gt;) не должна быть слишком длинной (Зgt;40 см), потому что усиленный импульс существенно расширится во времени и спектральной области из-за увеличения самофазной модуляции (SPM) и дисперсии групповой скорости (GVD) после прохождения через увеличение волокна (усиливание импульса). Эти эффекты увеличат сложность сжатия импульса. - Выполните шаги 1.1 и 1.3, чтобы расщеплять ввод коллиматора и сращивать активные и коллиматорные волокна.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это сращивания lt;C'gt; сращивания двойного плакированные волокна для SMF может показаться более низкого качества, чем предыдущие сращивания. Однако фактическая производительность зависит только от выравнивания ядра, поскольку импульс распространяется внутри ядра.
- Спликовое волокно Злт;6 "gt;; второго коллиматора "lt;Col2"gt; к вхотворенке сигнала (lt;7) комбайна.
- Следуйте раздел участок 1, чтобы расщеплять и сращивания волокон.
3. Смонтировать волокна частей к оптическому столу
- Установите насос лазера к оптическому столу с винтами и любыми необходимыми зажимами.
- Установите комбайн сигнала насоса к оптическому столу с зажимами. Тепловая паста может быть использована между комбайном и таблицей, потому что оптический стол работает как теплоотвод для комбайна.
- Поместите волокна на стол. Волокна 1, 2, 3, 5, 6 и 7 могут быть свертываемы индивидуально, чтобы сэкономить место, в то время как активное волокно 4 должно быть либо прямым, либо свертываемым свободно с радиусом кривизны, 20 см. Оставьте некоторое пространство для доступа к сращиванию lt;C'gt; для следующего шага.
ВНИМАНИЕ: Сильный изгиб в активном волокне может привести к сигналу насоса, чтобы избежать внутренней облицовки активного волокна. Это может привести к фатальным точкам ожога вдоль активного волокна, что потребует установки нового активного волокна. - Нанесите индекс, соответствующий гелю, на сращивания злиц;Кзотт;. Индекс, соответствующий гель используется для руководства насос света из активного волокна, с тем чтобы уменьшить генерацию тепла и теплового повреждения в точке сращивания. Обратите внимание, что нет необходимости перекрывать волокна. Предпочтительно оставить волокно голым и покрытым индексом, соответствующим гелем, чтобы свести к минимуму риск теплового повреждения.
- Используйте оптико-механические детали, чтобы смонтировать и исправить два коллиматора злитом;Col1 и Lt;Col2,gt; на оптическом столе. Коллиматоры должны сталкиваться друг с другом с разделением примерно 35 см, чтобы обеспечить достаточноместа для вставки в полость свободного пространства компонентов.
4. Соберите свободные космические части
- Включите насосный лазер. Установите мощность до 0,5 Вт (т.е. выше порога для блокировки режима, но безопасную мощность для выравнивания компонентов системы).
ВНИМАНИЕ: На данный момент, лабораторное пространство должно быть класс ОМС лазерной сертификации, лазерные очки безопасности должны носить, и персонал должен иметь степень IV лазерной подготовки. - Используйте инфракрасный (ИК) область, чтобы проверить точку сращивания злицизм.C.gt;. Нанесите индекс, соответствующий гелю, на любые яркие пятна, видимые через область ИК (показатель потенциальных точек теплового повреждения), чтобы помочь свету избежать в этих точках риска.
- Отрегулируйте положение двух коллиматоров так, чтобы они указывали прямо друг на друга. ИК-карта просмотра может быть использована для оказания помощи в выравнивании по центру пучка на входных отверстиях коллиматора.
- Установите поляризационный сплиттер пучка (PBS) 6 см от Золт;Col1 'gt;. Установите датчик счетчика мощности так, что мощность отраженного лазерного луча выходного излучаемого луча может измеряться непрерывно. Длина волны счетчика питания должна быть установлена до 1060 нм. Типичное начальное считывание мощности с мощностью насоса 0,5 Вт составляет 50 мВт перед выравниванием.
- Отрегулируйте винты на монтирует коллиматора для увеличения считывания счетчика мощности. Продолжайте вносить коррективы до тех пор, пока мощность выхода не достигнет максимального значения около 150 мВт, что указывает на отличное выравнивание.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг требует тщательной и терпеливой корректировки, которая часто отнимает много времени. Наиболее эффективно следовать систематической систематической процедуре: во-первых, поверните два винта, которые регулируют угол в том же направлении (X или Y) на двух коллиматорах, с одним винтом, вращающимся очень медленно в одном направлении, в то время как другой вращается быстро, чтобы сканировать все разумные углы. Продолжайте отслеживать максимальное считывание от счетчика мощности. Как только максимальная мощность найдена, переключитесь на винты, подрегулируясь в другом направлении. Повторите медленный поворот и быстрое сканирование, описанное выше. Благодаря отражениям от линз внутри обоих коллиматоров, можно наблюдать несколько локальных максим при выравнивании коллиматоров. Фактическая максимальная мощность гораздо больше (150 мВт) по сравнению с локальной максимой (от 70 до 80 мВт). - Смонтировать изолятор 3 см от Злт;Col2 "gt;. Отрегулируйте направление коллиматоров снова, чтобы выровнять компоненты свободного пространства и максимизировать мощность выхода. Присутствие изолятора может слегка отвлечь выравнивание луча, но максимальная мощность выхода восстанавливается путем тонкой корректировки коллиматоров.
- Смонтировать birefringent фильтра lt;BF'gt;, половина волновой пластины lt;HWP ,gt; и две четверти волны пластины (lt; »WP1 »gt; и lt; »WP2 »gt;)) к соответствующим позициям, показанным на рисунке 1. Бирефринтный фильтр зажат между двумя поляризаторами-один до (злт;PBS'gt;) и один после (в пределах lt;ISO'gt;),-для создания синусоидального эффекта диапазон-прохода. Для управления диапазоном длинволн должен быть небольшой угол действия инцидента ( и 3 х 5 градусов. Настройте выравнивание коллиматоров еще раз, пока мощность выхода не достигнет максимального значения.
5. Настройка компонентов экстра-полости
- Splice все три порта сплиттера (Рисунок 1) с волоконно-оптическими разъемами (FC) или SubMiniature версия A (SMA) разъемы. Типы разъемов зависят от входной порты фотодиода и анализатора оптического спектра (OSA). Шаги Splice идентичны тем, которые описаны в разделе 1 выше.
- Подключите один выход сплиттера к фотодиодного входного порта OSA, а другой вывод к фотодиоду с помощью разъемов FC.
- Подключите фотодиодный выходной порт к осциллоскопу (OSC) с помощью кабеля Bayonet Neill-Concelman (BNC).
- Подключите коллиматорзла Злт;Кол3гт; к вхотворенному порту сплиттера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование разъема для подключения сплиттера и Злт;Кол3 "gt; для удобства. Это соединение может быть заменено сращивания при желании. - Удалите датчик счетчика питания.
- Смонтировать небольшое зеркало злифт;M1 'gt; и первый компрессор решетки lt;G1 'gt; на оптическом столе. Для достижения максимальной эффективности компрессорных решеток используйте электросчетчик для контроля мощности максимума первого ордера при регулировке угла происшествия путем вращения решетки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этап вращения может быть использован для точного контроля вращения. Поскольку потери из-за смещения угла инцидента невелики, этап вращения здесь не используется для снижения затрат. - Установите переводческую сцену на столе. Смонтировать вторую компрессорную решетку злит;G2'gt; на переводной сцене. Расстояние между решетками должно быть примерно 2 см для оптимального сжатия с тонкой регулировкой с помощью трансляционной стадии. Убедитесь, что решетки параллельны.
- Смонтировать компрессорное зеркало Злт;М2гт; на оптический стол. Это зеркало должно быть вертикальным и перпендикулярно движущемуся направлению трансляционной стадии.
- Смонтировать остальные зеркала, сплиттер пучка, и коллиматора Злт;Col3 "gt;. Выравнивание будет скорректировано позже.
- Включите насосный лазер. Отрегулируйте уровень насоса до менее 0,5 Вт.
- Используйте иС-область, чтобы проверить сращивания lt;C.gt;. Добавьте индекс, соответствующий гелю, к любым ярким пятнам.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шаг 5.11 следует делать регулярно во время нормального использования лазера. - Выровнять компрессор.
- Используйте ИК-карту, чтобы найти луч, отрегулировать положение lt;M1'gt;, и компрессионные решетки так, что выходной луч пересекает части импульсного сжатия в следующей последовательности: злт;М1 "gt;,,lt;G1'gt;, lt;G2'gt; , Злт;G1'gt;, Lt;M1 "gt;.
- Наклонный тлет;M2 "gt; вверх немного, чтобы поднять отраженный луч, что делает его пройти выше импульса сборщик зеркало lt;M1 "gt;.gt;.
ПРИМЕЧАНИЕ: Lt;M2 "gt; может быть заменен ретроплетель, таким образом, что пикап зеркало lt;M1 "gt; не должны быть под углом. То есть отраженный луч будет параллельно с инцидентом луч, но смещен, используя светоотражающее зеркало для упрощения установки.
- Выровнять коллиматор с одним выходным лучом сплиттера пучка.
- Включите OSA и установите устройство в режим Power Meter.
- Отрегулируйте угол зеркала lt;M3'gt; и коллиматора, чтобы максимизировать вход мощности. Мощность чтения должна быть выше -10 дБ.
6. Достижение работоспособности с блокировкой режима с характеристикой выхода лазерного импульса
- Включите OSC и установите инструмент в режим соединения переменного тока с уровнем триггера, установленным на уровне 30 мВ.
- Переместите фотодиодное вводное волокно OSA в монохромный вход. Установите устройство в режим OSA.
- Блокировка фазы лазера, регулируя волновые пластины15.
- Поверните злит; »WP2»gt; несколько градусов туда и обратно. Спектр блокировки режима примерно состоит из двух стабильных пиков с плато между ними (т.е. так называемой кошачьей уха или формы Бэтмена). Между тем, на ОСК можно наблюдать стабильный импульсный поезд.
- Если спектр блокировки режима не соблюдается, поверните злот; »WP1»gt; несколько градусов в одном направлении и повторите шаг 6.3.1.
- Если спектр блокировки режима не может наблюдаться, повторяя 6.3.2, то поверните злит;БФЗgt; несколько градусов и повторите шаг 6.3.2.
ПРИМЕЧАНИЕ: Есть несколько характерных режимов лазерной работы, которые можно отличить, наблюдая ЗА OSA: 1. Один или два узких (1 нм) пики. Это усиленные спонтанные выбросы (АСЕ). 2. Широкий (50 нм) шумный пик со сломанными линиями, появляющимися случайным образом. Это частичный спектр блокировки режима (PML). В этом шумоподобном режиме импульса интенсивность и продолжительность каждого импульса варьируется, что приводит к низкому качеству изображения, если только один интегрирует колебания импульса в течение более длительного времени проживания пикселей. 17 3. Один пик ASE с очень шумным фоном, состоящим из многих пиков с низкой амплитудой. Это режим переключения без режима, заблокированный. Когда в этом режиме, режим блокировки часто может быть достигнуто путем вращения lt; »WP1 »gt; за небольшой угол. 4. Бэтмен формы режим блокировки спектра. "Уши" обычно имеют различные амплитуды с плоским спектром между острыми краями. Davoudzadeh et al. обеспечивают подробные измерения и иллюстрирующие результаты для каждого из этих режимов работы17.
- Приобрести и проанализировать радиочастотный (РЧ) спектр.
- Отключите кабель BNC от OSC и подключите его к анализатору спектра РФ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование адаптера BNC tee не рекомендуется, потому что земля образует замкнутую петлю, что вызывает эхо внутри цепи. Анализатор спектра РФ не показан на рисунке 1,потому что он занимает ту же позицию, что и OSC при использовании. - Следуйте инструкциям по анализатору спектра РФ, чтобы найти пик первичного спектра. Приблизительная ожидаемая частота может быть рассчитана на основе времени между двумя импульсами с помощью OSC.
- Аккуратно отрегулируйте волновые пластины и биорефринтный фильтр, чтобы максимизировать соотношение сигнала к шуму, которое является высотой первичного пика относительно фона.
ПРИМЕЧАНИЕ: Режим блокировки частоты RF должен быть одним пиком без боковых долей. Для лучшего качества изображения, SNR должен достигать по крайней мере 70 дБ. Спектр на OSA должны быть тщательно проверены, отслеживая спектральной формы Бэтмена, чтобы обеспечить лазер остается режим-заблокирован.
- Отключите кабель BNC от OSC и подключите его к анализатору спектра РФ.
- Следуйте инструкциям производителя для выравнивания и эксплуатации автокоррелятора для измерения продолжительности пульса. Можно использовать второй выход из сплиттера пучка вне полости. После того, как продолжительность пульса может быть измерена, тщательно отрегулируйте трансляционную стадию, на которой установлена дистанция между двумя решетками, чтобы настроить продолжительность пульса.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы облегчить выравнивание, лучше всего смонтировать зеркало lt;M1 'gt; и lt;M2 'gt; отдельно от двух решеток и переводческой стадии, к которой они установлены. Также обратите внимание, что пикосекундные импульсы наблюдаются как широкий пьедестал наряду с центральным функцией пика пульса fs во время частично заблокированной операции17. - Постепенно увеличивай мощность насоса выше 0,5 Вт, чтобы найти максимальную мощность насоса. Были протестированы силы до 5 Вт. Используйте ИК-область, чтобы постоянно наблюдать за активным волокном .4'gt;.gt;.; Если появляется яркое пятно, мощность насоса слишком высока в полости, и это, вероятно, сжечь активное волокно на этом уровне насоса.
ПРИМЕЧАНИЕ: Максимальная мощность системы зависит от длины активного волокна и выравнивания компонентов свободного пространства в полости. Описанные здесь протоколы достигают выходных мощностей до 1 Вт без появления ярких пятен или ожогов полости, и этой мощности более чем достаточно для большинства приложений для визуализации. Более высокие мощности выхода не были испытаны, но могут быть возможны, хотя мультипульсирование, скорее всего, приведет к16,17,18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Очень важно проверить режим-заблокированной операции по завершении волоконно-лазерных процедур изготовления. Подписи оптимального поколения fs импульса и лазерной устойчивости таковы: Во-первых, выходной импульс может быть достаточно охарактеризован приборами, изложенными в шаге 6. Выход импульсного спектра из лазерного осциллятора должен быть сосредоточен около 1070 нм с характерной кошачьей ухом или формой Бэтмена, которая указывает на режим блокировки, как и предсказывалось численное моделирование физики импульса ANDi15 (Рисунок 2A). Хотя характерный спектр является отличным показателем согласованности импульса, необходимы дополнительные тесты для обеспечения полной блокировки режима, стабильности и ожидаемой производительности лазера. В качестве дополнительной диагностики для блокировки режима, продолжительность импульса и импульса повторение спектры измеряются с помощью автокоррелатора и анализаля спектра РФ, соответственно. Один пик без пьедестала ожидается для обоих измерений во время работы с блокировкой режима. Во время измерений автокорреляции, решетка пара может быть настроена для достижения импульсного сжатия. Были измерены продолжительность пульса 70 fs (полная ширина-полу-максимум)(рисунок 2B). Это утихнутый пульс продолжительность приближается к оценкам преобразования ограниченного сжатия настоящего лазерного дизайна: предел преобразования вычисляется с использованием измеренного спектра импульса. Во-вторых, устойчивость пульса может быть проверена путем постоянного мониторинга средней мощности и спектра пульса. Мощность дрейфа составляет менее 3,5% в течение 24 ч(рисунок 2C) без активного охлаждения, когда лазерная установка установлена на плавающем оптическом столе с демпфированием вибрации. Этот уровень стабильности достаточен для многих экспериментов в области визуализации. Затем система остается стабильной и самостоятельной запуска в течение более недели, когда питание. Компоненты свободного пространства подвергаются механическому дрейфу, а блокировка режима теряется через несколько недель, но блокировка режима часто может быть повторно получена за счет незначительных корректировок волн, изложенных в шаге 6.
После проверки режима блокировки важно также проверить производительность изображения во время практических экспериментов MPE и нелинейной микроскопии с использованием простой тестовой цели и биологических образцов. Например, пользовательские волокна лазерного вывода могут быть направлены в коммерческий лазерный сканирующий микроскоп для двух-фотонного возбуждения (2PE) флуоресценции изображений(рисунок 3A). Обратите внимание, что изолятор вне полости, хотя и убыточный, необходим для предотвращения отражения спины от микроскопа оптики от входа в лазерный осциллятор. Эти задние отражения часто прерывают блокировку режима и генерацию сигнала флуоресценции во время визуализации. Здесь был проведен тест с помощью коммерческого конфокального лазерного сканирующего микроскопа и десканированного детектора с пинхолом, установленным до максимального размера, чтобы увеличить собранный сигнал флуоресценции. Один простой тестовый образец для микроскопии является измерение раствора флуоресцентного красителя. Предлагаемый первый эксперимент микроскопии заключается в измерении флуоресцентного сигнала красителя во время корректировки мощности импульса с помощью набора фильтров нейтральной плотности. Это помогает проверить, что сигнал флуоресценции является четырехкратно зависит от лазерной мощности доставлены в образец плоскости(Рисунок 3B), который является ожидаемым ответом для 2PE. Далее, изображения биологических образцов могут быть собраны с использованием нелинейно-полиновый 2PE ткани аутфлуоресценции, например (см. Рисунок 3C, неокрашенные, фиксированный образец креветок рассола), а также второго гармонического поколения (SHG) из коллагеновых фибрилов и 2PE из восхвиточных флуоресцентных пятен (см. Рисунок 3D, свежевырезченные куриные ткани, окрашенные с родом. В качестве дополнительной проверки 2PE, собранные 2PE гиперспектральные изображения многоцветных флуоресцентных микросфер испытательных целей были сравнены с гиперспектральными изображениями, сделанными линейным возбуждением с коммерческими диодными лазерами(рисунок 4). Были проанализированы и сравнены однофотонные экзитации и спектры флуоресценции 2PE, соответствующие двум цветам микросферы, соответствующим двум флуоресцентным красителям, возбужденным отдельно коммерческими, непрерывными лазерами 514 нм и 594 нм. Спектр флуоресценции, возбужденный специально созданным лазером, идентичен спектрам, взятым с помощью коммерческих непрерывных волновых лазеров (однофотонное возбуждение). В совокупности, эти результаты показывают, что пользовательские fs волокна лазер генерирует импульсы с достаточной пиковой мощности и единообразия для создания 2PE флуоресценции и SHG.
Рисунок 1: Схема пользовательского волокна лазера и импульс характеристики установки. Пронумерованные черные линии 1 и 2 указывают на выход насоса лазера. Пронумерованные черные линии 3х7 указывают на внутрикавитие волокна с длиной каждого волокна между точками сращивания, указанными в метрах. Ненумерованные черные линии указывают на волокна сверхполости. Знаки креста (x) указывают на точки сращивания. Красные линии – это световые дорожки свободного пространства. Толстая черная линия между OSC и фотодиодом (PD) указывает на кабель BNC. Анализатор спектра РФ, который занимает ту же позицию, что и OSC при использовании, не показан на рисунке, поскольку анализатор спектра РФ может быть заменен на установку для OSC с помощью разъема BNC. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Результаты лазерной характеристики. (A) Спектр выходного импульса от операции блокировки режима по сравнению с численным моделированием. (B) Сигнал интенсивности автокорреляции утихшего импульса по сравнению с численным моделированием предела преобразования. (C) Выходная мощность лазера во время двух 24-h испытаний стабильности. (Адаптировано из Давудзаде и др.17) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Результаты тестов на производительность микроскопии MPE. (A) Схема специально голообвиненного волоконного лазера с его выходом направлена в коммерческий конфокальный микроскоп. (B) Бред-лог участок, демонстрирующий квадратную зависимость сигнала флуоресценции MPE как функции лазерной мощности выхода, измеряется с помощью раствора флуоресцентного красителя. (C) 2PE автофлюоресценции изображение неокрашенных и фиксированной рассола креветок образца с помощью пользовательских fs волокна лазера. (D) SHG (циан) из коллагеновых фибрилов и 2PE флуоресценции (магента) родамина B окрашенных клеток из свежевысеченной ткани курицы с использованием пользовательских fs волокна лазера. Шкала баров 50 мкм. (Адаптировано из Davoudzadeh и др.17) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Сравнение 2PE флуоресценции с использованием пользовательских fs волокна лазера по сравнению с однофотон возбуждение (1PE) с использованием коммерческих диодных лазеров. (A) Многоканальный 1PE изображение спектральных различных микробусов с использованием нескольких различных диодных лазеров (слева; 1PE длинволн, перечисленных в нм.) Флуоресцентный профиль интенсивности же шарики возбужденных 514 нм диодный лазер (средний) и пользовательских fs волокна лазера (справа). Шкала баров 50 мкм. (B) нормализованные спектры зеленого (слева) и красные (справа) бусы возбужденных диодного лазера по сравнению с пользовательским fs волокна лазера. (Адаптировано из Давудзаде и др.17) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Точка сращивания | A | B | C | D |
| Индекс левого волокна | 1 | 3 | 4 | 6 |
| L диаметр покрытия (мкм) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| L одетый диаметр (мкм) | 125 | 130 | 125 | 125 |
| L диаметр ядра (мкм) | 105 | 5 | 6 | 6 |
| L MFD (мкм) | 105 | 4.8 | 7 | 6.2 |
| Индекс правого волокна | 2 | 4 | 5 | 7 |
| Диаметр покрытия R (мкм) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| R одетый диаметр (мкм) | 125 | 125 | 125 | 130 |
| Диаметр ядра R (мкм) | 105 | 6 | 6 | 5 |
| R MFD (мкм) | 105 | 7 | 6.2 | 4.8 |
Таблица 1: Резюме параметров для точки сращивания сращивания лазерного волокна насоса (A), а также трех точек сращивания волокна внутрикавита (B-D). Здесь направление распространения света от левого волокна к правому волокну. L - левое волокно в сращивания сустава; R - правое волокно в сращивания сустава; MFD - средний диаметр поля.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протоколы, изложенные здесь, синтезируют ноу-хау и опыт, которые были обычной практикой в лаборатории лазерной физики на протяжении десятилетий, но которые часто незнакомы многим биомедицинским исследователям. Эта работа пытается сделать эту сверхбыструю волоконную лазерную технологию более доступной для более широкого сообщества. Конструкция лазера волокна ANDi well-established, как сперва начатое в семенных работах Уайзом и коллегами3. Однако реализация этой технологии другими группами иногда приводит к сообщениям о лазерах, которые не работают должным образом, иллюстрируя необходимость дальнейшего обучения биомедицинских исследователей в нетривиальных аспектах характеристики импульса и режима блокировки работы.
Обратите внимание, что пользовательские лазерные изготовления и эксплуатации, как правило, не подходит для лабораторий, незнакомых с лазерной эксплуатации и безопасности. Лазерная подготовка по технике безопасности и рассмотрение опасностей имеет важное значение перед попыткой строительства лазера класса 4. Поскольку лазерная система открыта, есть два основных отражения лучей (из компрессорных решеток и в полости PBS) и несколько незначительных отражений от других оптики, которые должны быть заблокированы. Компоненты свободного пространства должны быть закреплены на стабильной оптической таблице для поддержания выравнивания. В отличие от этого, коммерческие лазеры всегда заключены для безопасности и часто используют механизмы автоматического выравнивания, что делает их проще и безопаснее в эксплуатации.
Как уже упоминалось, пользовательские fs волокна лазера, представленные здесь представляет собой, пожалуй, лучшую производительность, которую можно ожидать для легко построенной системы, которая сводит к минимуму материальные затраты. Конструкция и качество сращивания являются критическим фактором для эффективности лазера, простоты изготовления и надежности для нанесения точечных повреждений. Низкое качество сращивания не только не может снизить эффективность выхода насоса, но и генерировать тепло во время работы и, таким образом, повредить полость. Для достижения высококачественных сращивания, необходимо убедиться, что волокна тесак и сплайсер являются чистыми. Как уже упоминалось выше, ватные тампоны, пропитанные алкоголем, должны использоваться для очистки всех рабочих поверхностей на регулярной основе. Кроме того, при возникновении больших углов расщепления (0,3 градуса), настоятельно рекомендуется отступать, чтобы улучшить качество сращивания.
После того, как режим заблокирован, система является достаточно стабильной и остается самостоятельной запуска в течение более чем недели. В случае случайных возмущений в системе или механического дрейфа компонентов свободного пространства с течением времени, система потеряет режим блокировки, но режим блокировки лазера часто можно легко восстановить путем слегка регулировки волнпластинок. Для поддержания стабильной выработки ключевым фактором является контроль температуры активного волокна. Таким образом, система лучше всего использовать в комнате с кондиционером с минимальным потоком воздуха рядом с ним. Система относительно невосприимчива к небольшим вибрациям. На самом деле, влияние механической вибрации не может наблюдаться как в височной, так и в спектральной областях, если система поставлена на пассивную демпфированную оптическую таблицу. Прикосновение к компонентам волокна осциллятора возмутит режим блокировки, но режим блокировки восстанавливается просто путем возвращения волокна обратно в его приблизительное исходное положение.
Наконец, компактный форм-фактор fs волоконных лазеров привлекателен для разработки мобильных клинических систем. (например, мобильные системы на базе телеги). Хотя меньше по размеру по сравнению с твердотельного лазера, пользовательские волокна лазерной конструкции, представленные здесь содержит несколько компонентов свободного пространства, которые требуют выравнивания. Это значительно ограничивает мобильность системы. Все эти компоненты свободного пространства можно заменить оптоволоконными компонентами. Будущая работа будет включать в себя разработку новых все волоконные лазерные конструкции с использованием волокна PM для разработки систем, которые являются надежными для экологических изменений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не заявляют о каких-либо конкурирующих интересах.
Acknowledgments
Мы благодарим доктора Е. Кронина-Фурмана и М. Вейцмана (Корпорация Olympus of the Americas Scientific Solutions Group) за помощь в приобретении изображений. Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения Грант K22CA181611 (до B.З.С.) и Ричард и Сьюзан Смит Семейный фонд (Ньютон, M.A.) Премия Смита в области семьи за выдающиеся достижения в области биомедицинских исследований (до B.A.S.).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics) | Thorlabs | TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x) | Standard optical components |
| Advanced optical fiber cleaver | AFL | CT-100 | |
| Autocorrelator | Femtochrome | FR-103XL/IR/FA/CDA | |
| Beamsplitter mount | Thorlabs | BSH1/M | |
| Factory fusion splicer | AFL | FSM-100P | |
| Fiber collimators | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 3x |
| Fiber-coupled,high-speed photodiode detector | Thorlabs | DET08CFC | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-5-1050-HP | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-3D-1050-VLP | |
| Half waveplate | Union Optics (China) | WPZ2312 | 2x |
| High power multimode fiber pump module | Gauss Lasers (China) | Pump-MM-976-10 | |
| High power pump and signal combiner | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | |
| Index matching gel | Thorlabs | G608N3 | |
| Optical spectrum analyzer | Keysight | Agilent 70951B | |
| Oscilloscope | Keysight | Agilent 54845A | |
| Passive double clad fiber(5/130 μm) | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | 3m, Included with combiner |
| Polarizing beamsplitter | Thorlabs | PBS253 | |
| Quarter waveplates | Union Optics (China) | WPZ4312 | 2x |
| Quartz birefringent filter plate | Newlight (Canada) | BIR1060 | |
| RF spectrum analyzer | Tektronix | RSA306B | |
| Single mode fiber (6/125 μm) | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 1m, Included with collimators |
| Single mode fiber coupler | AFW (Australia) | FOSC-2-64-30-L-1-H64-2 | |
| Transmission diffraction grating 1 | LightSmyth | T-1000-1040-3212-94 | For compressor |
| Transmission diffraction grating 2 | LightSmyth | T-1000-1040-60x12.3-94 | For compressor |
| Waveplate rotation mount | Thorlabs | RSP1/M | 4x |
| Ytterbium-doped single mode double clad fiber | Thorlabs | YB1200-6/125DC | 3m |
References
- Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124 (2010).
- Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875 (2013).
- Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
- Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
- 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).
- Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
- 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).
- 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).
- Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
- 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).
- 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).
- Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474 (2007).
- Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
- Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
- 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).
- Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
- 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).
- 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).
