Summary
En metode er præsenteret for at bygge en brugerdefineret lavpris, mode-låst at fiber laser til potentielle anvendelser i multiphoton Microscopy, endoskopi, og Photomedicine. Denne laser er bygget ved hjælp af kommercielt tilgængelige dele og grundlæggende splejsning teknikker.
Abstract
En protokol præsenteres for at opbygge en brugerdefineret lav-cost endnu højtydende at (FS) fiber laser. Denne all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser er bygget helt ved hjælp af kommercielt tilgængelige dele, herunder $8.000 i fiberoptiske og pumpe laser komponenter, plus $4.800 i standard optiske komponenter og ekstra-hulrum tilbehør. Forskere nye til fiberoptisk enhed fabrikation kan også overveje at investere i grundlæggende fiber splejsning og laser Pulse karakterisering udstyr (~ $63.000). Vigtigt for optimal laser drift, metoder til at verificere true versus tilsyneladende (delvis eller støj-lignende) tilstand-låst præstation præsenteres. Dette system opnår 70 FS impuls varighed med en midterbølge længde på ca. 1.070 nm og en puls gentagelseshastighed på 31 MHz. Denne fiber laser udviser peak ydeevne, der kan opnås for en let monteret fiberlasersystem, hvilket gør dette design ideel til forskningslaboratorier til formål at udvikle kompakte og bærbare FS laser teknologier, der muliggør nye implementeringer af multifoton-mikroskopi og FS-kirurgi.
Introduction
Solid State at (FS) pulserede lasere er meget udbredt til mikroskopi og biologisk forskning. Et typisk eksempel er brugen af multifoton excitation (MPE) Fluorescens mikroskopi, hvor høj spidseffekt og lav gennemsnitlig effekt ønskes for at lette den MPE-processen, samtidig med at foto skade mekanismerne minimeres. Mange højtydende solid-state lasere er kommercielt tilgængelige, og når den kombineres med en optisk parametrisk oscillator (OPO), kan laser bølgelængden indstilles over en bred vifte1. For eksempel genererer kommercielle oscillator-OPO-systemer < 120 FS puls varigheder (typisk med en 80 MHz puls gentagelseshastighed) og > 1 W gennemsnitlig effekt fra 680 til 1.300 Nm. Men, omkostningerne ved disse kommercielle tunable FS laser systemer er betydelig (> $200000), og solid-state systemer generelt kræver vandkøling og er ikke bærbare til kliniske anvendelser.
Ultrashort pulserende fiber laserteknologi er modnet i de seneste par år. Omkostningerne ved en kommerciel FS pulserende fiber laser er typisk betydeligt lavere end solid-state lasere, omend uden mulighed for bred bølgelængde tuning ydes af solid-state systemer nævnt ovenfor. Bemærk, at fiberlasere kan parres med OPOs, når det ønskes (dvs. hybrid fiber-solid-state-systemer). Den store overflade-til-volumen forhold af fiberlasersystemer muliggør effektiv luftkøling2. Derfor fiberlasere er mere bærbare end solid-state systemer på grund af deres relativt lille størrelse og forenklet kølesystem. Desuden reducerer fusions splejningen af fiberkomponenterne systemkompleksitet og mekanisk drift i modsætning til den frie plads tilpasning af de optiske komponenter, som udgør Solid-State-enheder. Alle disse funktioner gør fiberlasere ideel til kliniske anvendelser. Faktisk, alle-fiberlasere er blevet udviklet til lav vedligeholdelse operation3,4,5, og All-polarisering-vedligeholdelse (PM)-fiberlasere er stabile til miljømæssige faktorer, herunder ændringer i temperatur og fugtighed samt mekaniske vibrationer2,6,7,8.
Her præsenteres en metode til at bygge en omkostningseffektiv FS pulserende ANDi fiber laser med kommercielt tilgængelige dele og standard fiber splejsning teknikker. Metoder til at karakterisere puls gentagelse sats, varighed, og sammenhæng (fuld tilstand-lås) er også præsenteret. Den resulterende fiber laser genererer tilstand-låste impulser, der kan komprimeres til 70 FS med en gentagelsesfrekvens på 31 MHz og en bølgelængde centreret ved 1.060 til 1.070 nm. Den maksimale effekt fra laser hulen er ca. 1 W. Den puls fysik af ANDi fiberlasere elegant udnytter ikke-lineære polarisering Evolution iboende til optisk fiber som en nøglekomponent i den mætnings absorberen2,3,9,10,11. Men det betyder, at ANDi design ikke er let implementeret ved hjælp af PM fiber (selv om en all-PM fiber implementering af ANDi mode-låsning er blevet rapporteret, omend med lav effekt og PS Pulse varighed12). Således kræver miljømæssig stabilitet betydelig ingeniørarbejde. Næste generations fiber laser design, såsom mamyshev oscillator, har potentialet til at tilbyde komplet miljømæssig stabilitet som all-PM-fiber enheder i stand til en Order-of-størrelses stigning i intracavity Pulse energi samt tilbyde betydelige fald i impuls varighed for at muliggøre applikationer, der er afhængige af bred puls Spectra13,14. Custom fabrikation af disse innovative nye FS fiber laser designs kræver knowhow og fiber splejsning erfaring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Splice single mode fibre (SMF)
Bemærk: afsnit 1 består af generelle trin til at splitte SMFs. Dette er en ikke-væsentlige, men anbefales, skridt til at praktisere fiber splejsninger ved hjælp af billige fiber. Dette trin sikrer korrekt ydeevne af splejnings udstyret, før du bruger mere værdifulde fiberoptiske materialer.
- Kløve den første fiber.
- Strip ca 30 mm af fiber med en fiber stripping værktøj. For skrøbelige fibre (f. eks. dobbelt beklædte fibre), kan en barberkniv bruges til forsigtigt at skrælle bufferen.
- Brug fnugfri væv med ethanol eller isopropanol til at rense den afisolerede fiber. En summende lyd ved aftørring af fiber indikerer, at fibrene er tilstrækkeligt rene.
- Placer fiber holderen på fiber Cleaver. Sørg for, at klingen, fiber klemmen på Cleaver og fiber holderen er rene. Vatpinde med alkohol kan bruges til at rense disse dele af Cleaver.
- Læg forsigtigt fibrene i fiber holderen. Efterlad ca 25 mm strippet, ren fiber i den frie ende for Cleaver at klemme.
- Luk forsigtigt fiber klemmen på Cleaver. For at undgå ekstra spænding påføres fibrene, genåbne, og lukke klemmen, så spændingen frigives.
- Tryk på "cut" knappen og Cleaver vil automatisk Kløve fiber.
Bemærk: for at sikre, at fibrene forbliver rene, bør intet røre ved fiber spidsen efter at være blevet kløende. - Overfør fiber holderen til fusions spliceren. Brug pincet til at flytte stykket afskåret fra fibrene til en kanylebeholder.
Forsigtig: hårde pincet og skarpe pincet tips kan bryde fiber. En passende pincet til håndtering af fiberoptik skal have plastik, afrundede spidser.
- Kløve den anden fiber.
- Gentag trin 1,1 på den anden fiber med den anden fiber holder. De to fibre, der skal splejses, skal spaltet med kløvede ender, der holdes imod hinanden af fiber holderne i fiber Splicer.
- Luk splicer-dækslet.
- Fusion splitte fibrene.
- Konfigurer parametrene på fusions splicer, herunder kerne diameteren, modus-felt diameteren (MFD) og diameter af beklædning. Indstil justerings metoden til beklædning.
- Tryk på knappen Start, hvorefter splicer justeres automatisk.
Bemærk: det er muligt at få fejlmeddelelser om en dårlig kløver form eller stor Kløve vinkel. Dette er normalt på grund af en dårlig kløver eller kontaminering af fiber efter Kløve. Hvis dette sker, gentages fiber klangen procedure. - Tryk på Start-knappen ved hvert stop for at bekræfte kvaliteten af Splice. Splice vil blive udført automatisk.
- Kontroller kvaliteten af splejseren via den kvalitetskontrol kontrol, der udføres af Spyen, samt ved at bruge kameraets visning af Splice-regionen. En god Splice har en ensartet beklædning grænse og ensartet lysstyrke langs fibrene sådan, at ingen Splice skillevej er synlig.
Bemærk: fiber splicers omfatter ofte optik til at inspicere Splice og til at estimere strøm tabet baseret på den målte geometri, form og lys refraktion gennem fibrene ved hjælp af en kilde vinkelret på fibrene for at se, billede og analysere Splice leddet. Det er naturligvis kun et skøn, men det er i de fleste tilfælde tilstrækkeligt. For identiske fibre, vil splicer anslå dette tab som ~ 0 dB (dvs., ingen påviseligt tab). Fra tidligere resultater med de forskellige fiber splicer beskrevet nedenfor, splicer estimater af effekttabet spænder fra 0,07 dB (Splice punkt B og C, figur 1) til 0,3 dB (Splice punkt D). Disse estimater sandsynligvis overvurdere tabet på grund af uoverensstemmende geometri og refraktion af den uensartede fiberoptik, som fejlagtigt fremstå som defekt objekter. - Åbn splicer-dækslet, og Åbn derefter en af fiber holderne. Den anden fiber holder bør ikke åbnes, før den splejrede fiber er fjernet fra Splicer.
- Som en mulighed, kan en fiber ærme tilsættes for at beskytte Splice. Varmelegeme på splicer kan bruges til at forme ærmet på fiber. Alternativt kan der anvendes en varm luft pistol.
Bemærk: Hvis de to fibre er meget lange eller fastgjort til andre komponenter, skal ærmet sættes på en af fibrene, før det klatter, og derefter kan det flyttes til splejsning punkt. Fiber ærmet fungerer som en varme krympe slange i elektroniske kredsløb. Det kan bruges til at beskytte splejnings punktet fra en bøjning eller trækkraft. En fiber recoater kan anvendes i stedet for at lakeres Splice punkt for maksimal beskyttelse af Splice punkt til mekaniske skader, omend på en betydelig ekstra udgift, fordi dette udstyr skal købes, hvis det ikke er let tilgængelige.
2. Saml fiber delene
- Spind pumpe udgangen fiber < 1 > med pumpeindgangen < 2 > af pumpe signal kombineren (Se fiber laser diagrammet, figur 1).
- Følg afsnit 1 for at Kløve og splitte fibrene. Brug standardindstillingen af programmet BASIC I SP, med undtagelse af fiber parametrene (2-A og 2-B), der skal angives manuelt. De splejsning parametre, der skal indtastes, kan findes i tabel 1.
- Splice den kombinerede udgang < 3 > til den YB-dopede aktive fiber.
- Følg trin 1,1 for at kløve Kombiner output fiber < 3 >.
- Kløve den aktive fiber < 4 >.
Bemærk: da den aktive fiber < 4 > har en ottekantet beklædning, passer den ikke til V-rillen på fiber klatter. Derfor vil en simpel kløver som beskrevet i trin 1,1 give en relativt stor Kløve vinkel. Således skitserer følgende trin en særlig protokol for at opnå en flad kløver vinkel ved hjælp af det samme udstyr.- Følg afsnit 1 for at Kløve og splitte den aktive fiber < 4 > og et stykke 6/125 SMF. Denne SMF fjernes senere og er ikke indarbejdet i laseren. Derfor er det acceptabelt, hvis kvaliteten af denne Kløve vinkel er dårlig. Det er ikke vigtigt at opnå en flad kløver vinkel for dette trin.
- Skær SMF ca. 2 cm fra splejnings punktet med en wire cutter.
- Strip hele længden af SMF, og strip den aktive fiber til en anden 0,5 cm. Nu er den aktive fiber udjævnet med 2 cm bufferless SMF.
- Ilæg den aktive fiber i Cleaver som i trin 1.1.3-1.1.5. Sørg for, at kun SMF, som har en cirkulær beklædning, er fastspændt af fiber klemmen.
- Følg trin 1.1.6 og 1.1.7 for at kløve den aktive fiber < 4 >. Da kun SMF er i V-rillen, vil denne kløft give en minimal kløve vinkel.
- Følg trin 1,3 for at splitte fibrene.
- Nogenlunde måle den samlede effekt fra den distale ende af den aktive fiber < 4 >.
- Skær den aktive fiber < 4 > ved ~ 3 m fra Splice point < B >. Længere aktiv fiber kan bruges til en højere udgangseffekt, men gentagelseshastigheden vil blive reduceret på grund af stigningen i kavitets længde.
- Kløver enden < 4C > som nævnt i trin 1,1.
Bemærk: da effektmålingen i næste trin anslås, er det unødvendigt at bruge den metode, der er nævnt i trin 2.2.2. - Peg fibrene mod effektmåleren og Bring fibrene og effektmåleren sammen uden fysisk kontakt.
Advarsel: at sætte spidsen af fibrene for tæt på effektmåleren vil muligvis beskadige effektmåler sensoren, da lysets effekt er koncentreret til et lille punkt på sensoren. For at undgå dette, brug en minimal pålidelig pumpekraft. - Læs udgangs effekten fra effektmåleren. En stor (> 80%) effektivitets gennemstrømning indikerer tilstrækkelig kvalitet splicer på punkter < en > og < B >.
Bemærk: det er normalt at have noget strøm tab på grund af absorptionen af den aktive fiber og på grund af den manglende effektivitet af koblings metoden til effektmåleren som nævnt i trin 2.3.2 til 2.3.3.
- Spind den aktive fiber < 4 > til input < 5 > af kollimator < Kol1 >.
- Følg trin 2.2.2 for at kløve den aktive fiber < 4 > på enden < C > at blive splejret til kollimator.
- Skær input < 5 > af kollimator < Kol1 > til ca. 40 cm.
Bemærk: længden af den passive fiber (< 5 >) bør ikke være for lang (> 40 cm), fordi den forstærkede puls vil udvide betydeligt i tiden og spektral domænet på grund af øget selv fase modulation (SPM) og gruppe hastighed dispersion (GVD) efter passage gennem Gain fiber (puls amplifikation). Disse virkninger vil øge sværhedsgraden af puls kompression. - Følg trin 1,1 og 1,3 for at kløve kollimator-input < 5 > og splitte de aktive og kollimator fibre.
Bemærk: denne Splice < C > Splice af en dobbelt beklædt fiber til et SMF kan synes at være af ringere kvalitet end de tidligere Splicer. Den faktiske ydeevne afhænger dog kun af kerne justeringen, fordi pulsen overføres i kernen.
- Splice fiber < 6 > af den anden kollimator < Kol2 > til signal input fiber < 7 > af kombineren.
- Følg afsnit 1 for at Kløve og splitte fibrene.
3. Monter fiber delene i den optiske tabel
- Monter pumpe laseren på det optiske bord med skruer og eventuelle nødvendige klemmer.
- Monter pumpe signal kombineren på det optiske bord med klemmer. Termisk pasta kan bruges mellem kombineren og bordet, fordi den optiske tabel fungerer som en køleplade til kombineren.
- Placer fibrene på bordet. Fibers 1, 2, 3, 5, 6 og 7 kan kodes individuelt for at spare plads, mens den aktive fiber 4 skal være enten lige eller sammenrullet løst med en krumningsradius > 20 cm. Lad noget plads for at få adgang til Splice < C > til næste trin.
Forsigtig: en stærk bøjning i den aktive fiber kan forårsage pumpe signalet til at undslippe den indvendige beklædning af den aktive fiber. Dette kan føre til dødelige brændpunkter langs den aktive fiber, der vil kræve installation af en ny aktiv fiber. - Anvend den indeks matchende gel til at splitte < C >. Indekset matchende gel bruges til at styre pumpe lyset ud af den aktive fiber for at reducere produktionen af varme og termisk skade på spind punktet. Bemærk, at der ikke er behov for at lakeres fiber. Det er at foretrække at lade fiber nøgne og belagt i indeks matchende gel for at minimere risikoen for termisk skade.
- Brug optomekaniske dele til at montere og fastgøre de to kollimatorer < Kol1 > og < Kol2 > på den optiske tabel. Kollimatorerne skal stå over for hinanden med en adskillelse på ca. 35 cm for at give tilstrækkelig plads til at indsætte de i-hulrum frie rum komponenter.
4. Saml de frie rum dele
- Tænd for pumpe laseren. Indstil strømmen til 0,5 W (dvs. over tærsklen for tilstands låsning endnu en sikker strøm til justering af systemkomponenter).
Advarsel: på dette tidspunkt skal laboratorie rummet være klasse IV laser certificeret, laser beskyttelsesbriller skal bæres, og personalet skal have modtaget klasse IV laser træning. - Brug et infrarødt (IR) område til at kontrollere Splice-punktet < C >. Anvend indekset matchende gel på alle lyse pletter set gennem IR-området (indikative for potentielle punkter af termisk skade) for at hjælpe lys undslippe på disse risiko punkter.
- Juster placeringen af de to kollimatorer, så de peger direkte på hinanden. Et IR-visningskort kan bruges til at hjælpe centreret stråle justering ved kollimator indgangs åbninger.
- Monter en polariserende stråle splitter (PBS) 6 cm væk fra < Kol1 >. Monter sensoren på en effektmåler, så effekten af den reflekterede laser udgangs stråle kan måles kontinuerligt. Bølgelængden på effektmåleren skal indstilles til 1.060 nm. En typisk starteffekt læsning med 0,5 W pumpeeffekt er ~ 50 mW før justering.
- Juster skruerne på kollimator mounts for at øge læsningen af effektmåleren. Fortsæt med at foretage finjusteringer, indtil udgangs effekten når en maksimumværdi på ca. 150 mW, hvilket indikerer en fremragende justering.
Bemærk: dette trin kræver omhyggelig og patient justering, hvilket ofte er tidskrævende. Det er mest effektivt at følge en systematisk systematisk procedure: Drej først de to skruer, der justerer vinklen i samme retning (X eller Y) på de to kollimatorer, og en skrue roterer meget langsomt i den ene retning, mens den anden roterer hurtigt for at scanne alle rimelige vinkler. Fortsæt med at spore den maksimale aflæsning fra effektmåleren. Når den maksimale effekt er fundet, skifte til skruerne, justere til en anden retning. Gentag den langsomme rotation og den hurtige scanning, der er beskrevet ovenfor. På grund af refleksioner fra linserne inde i begge kollimatorer er det muligt at observere flere lokale Maxima, mens du justerer kollimatorerne. Den faktiske maksimale effekt er meget større (150 mW) sammenlignet med den lokale Maxima (70 til 80 mW). - Monter isolatoren 3 cm fra < Kol2 >. Juster kollimators retning igen for at justere de frie rumkomponenter og maksimere udgangs effekten. Isolatorens tilstedeværelse kan let aflede stråle justeringen, men den maksimale udgangseffekt genoprettes ved finjusteringer af kollimatorerne.
- Monter det birefringerende filter < BF >, en halv bølge plade < HWP > og to kvart Bølgeplader (< QWP1 > og < QWP2 >) til de tilsvarende positioner vist i figur 1. Den birefringerende filter er klemt mellem to polarisatorer-en før (< PBS >) og en efter (inden for < ISO >)-at skabe en sinusformet band-pass filter effekt. Der skal være en lille (3 ° − 5 °) hændelses vinkel for < BF > for at styre bølgelængdeområdet. Indstil kollimators justering igen, indtil udgangs effekten når en maksimumværdi.
5. opsætning af ekstra kavitets komponenter
- Splice alle tre porte af splitter (figur 1) med fiberoptiske stik (FC) eller subminiature version A (SMA) stik. Forbindelsestyperne afhænger af indgangsportene på Photo diode og den optiske spektrumanalysator (OSA). Splice trin er identiske med dem, der er beskrevet i afsnit 1 ovenfor.
- Forbind en udgang af splitter til fotodiode indgangsporten på OSA og den anden udgang til Photo diode ved hjælp af FC-stik.
- Tilslut fotodiode-udgangsporten til oscilloskop (OSC) med et bajonet Neill-concelman (BNC)-kabel.
- Tilslut kollimator-< Col3 > til inddelings porten på splitter.
Bemærk: brug af stikket til at tilslutte splitter og < Col3 > er for nemheds skyld. Denne forbindelse kan udskiftes med en Splice, hvis det ønskes. - Fjern effektmåler sensoren.
- Monter det lille spejl < M1 > og den første kompressor rist < G1 > på det optiske bord. For at opnå maksimal effektivitet af kompressorens riste, skal du bruge effektmåleren til at overvåge effekten af den første ordre maksimum, mens du justerer hændelses vinklen ved at rotere rist.
Bemærk: en rotations fase kan bruges til præcist at styre rotationen. Da tabet på grund af hændelsen vinkel forskydning er lille, bruges rotations stadiet ikke her til at reducere omkostningerne. - Monter det translationelle stadie på bordet. Monter den anden kompressor rist < G2 > på translationel scenen. Afstanden mellem rigerne skal være ca. 2 cm for optimal komprimering med finjustering ved hjælp af translationel scenen. Sørg for, at riingerne er parallelle.
- Monter kompressor spejlet < m2 > på det optiske bord. Dette spejl skal være lodret og vinkelret på den bevægelige retning af den translationelle fase.
- Monter resten af spejlene, stråle splitter og kollimator < Col3 >. Justeringen justeres senere.
- Tænd for pumpe laseren. Indstil pumpe niveauet til mindre end 0,5 W.
- Brug et IR-område til at kontrollere Splice-< C >. Tilføj indeks matchende gel til alle lyse pletter.
Bemærk: trin 5,11 skal udføres regelmæssigt under normal brug af laseren. - Juster kompressoren.
- Brug et IR-kort til at finde strålen, justere positionen af < M1 > og kompressions risene, så udgangs strålen krydser impuls kompressions delene i følgende rækkefølge: < M1 >, < G1 >, < G2 >, < m2 >, < G2 > , < G1 >, < M1 >.
- Tilt < m2 > op en anelse for at hæve den reflekterede stråle, så den passerer over puls vælgeren spejl < M1 >.
Bemærk: < m2 > kan udskiftes med en retroreflector, således at PICKOFF-spejlet < M1 > ikke behøver at være vinklet. Det vil den reflekterede stråle være parallel med Incident Beam, men forskudt, ved hjælp af en retroreflective spejl for at forenkle opsætningen.
- Justér kollimator med en stråle fordeler.
- Tænd for OSA, og Indstil enheden til effektmåler tilstand.
- Juster vinklen på spejlet < M3 > og kollimator for at maksimere strømtilførslen. Strøm aflæsningen skal være over-10 dBm.
6. opnå tilstand-låst ydeevne med karakterisering af laser pulsudgang
- Tænd for OSC, og sæt instrumentet i VEKSEL koblingstilstand med udløser niveauet indstillet til 30 mV.
- Flyt OSA Photo diode input fiber til monokromatisk input. Indstil enheden til OSA-tilstand.
- Lås laserens fase ved at justere bølge pladerne15.
- Roter < QWP2 > flere grader frem og tilbage. Den mode-låsning spektrum groft består af to stabile toppe med et plateau mellem dem (dvs. en såkaldt kat-øre eller Batman form). I mellemtiden kan der observeres et stabilt puls tog på OSC.
- Hvis tilstands låsnings spektret ikke overholdes, skal du rotere < QWP1 > flere grader i én retning og gentage trin 6.3.1.
- Hvis funktions låsnings spektret ikke kan observeres ved at gentage 6.3.2, skal du rotere < BF > flere grader og gentage trin 6.3.2.
Bemærk: der er flere karakteristiske tilstande af laser drift, der kan skelnes ved at observere OSA: 1. en eller to smalle (~ 1 nm) toppe. Disse er forstærket spontane emissioner (ASE). 2. en bred (~ 50 nm) støjende peak med brudte linjer vises tilfældigt. Dette er en delvis tilstand-Lock (PML) spektrum. I denne støj-lignende puls tilstand varierer intensiteten og varigheden af hver puls, hvilket resulterer i dårlig billedkvalitet, medmindre man integrerer puls svingningerne over længere pixel opholdstider. 17 3. En ASE peak med en meget støjende baggrund bestående af mange lav-amplitude toppe. Dette er en ikke-tilstands låst Q-switching-tilstand. Når du er i denne tilstand, kan tilstands låsning ofte opnås ved at rotere < QWP1 > over en lille vinkel. 4. den Batman formet tilstand-låsning spektrum. "Ørerne" har typisk forskellige amplituder med et fladt spektrum mellem de skarpe kant funktioner. Davoudzadeh et al. Giv detaljerede målinger og illustrative resultater for hver af disse driftsformer17.
- Erhverve og analysere radiofrekvensspektret (RF).
- Frakobl BNC-kablet fra OSC, og Tilslut det til RF Spectrum Analyzer.
Bemærk: brug af en BNC tee adapter anbefales ikke, fordi jorden danner en lukket løkke, som inducerer et ekko i kredsløbet. RF Spectrum Analyzer er ikke vist i figur 1, fordi den tager samme position som OSC, når den er i brug. - Følg RF Spectrum Analyzer-instruktionsmanualen for at finde den primære spektrumtop. Den omtrentlige forventede frekvens kan beregnes på basis af tiden mellem to impulser ved hjælp af OSC.
- Juster forsigtigt bølge pladerne og det birefringerende filter for at maksimere signal-til-støj-forholdet, som er højden af den primære spids i forhold til baggrunden.
Bemærk: den mode-låsning RF spektrum bør være en enkelt top med ingen side lapper. For at opnå den bedste billedkvalitet skal SNR nå op på mindst 70 dB. Spektret på OSA bør overvåges nøje, holde styr på Batman spektral form, for at sikre, at laseren forbliver tilstand-låst.
- Frakobl BNC-kablet fra OSC, og Tilslut det til RF Spectrum Analyzer.
- Følg producentens anvisninger for at justere og betjene autocorrelatoren for at måle puls varigheden. Den anden udgang fra stråle splitter med ekstra hulrum kan anvendes. Når puls varigheden kan måles, skal du forsigtigt justere det translationelle stadie, hvor < G2 > er monteret, for at justere afstanden mellem de to Rister for at indstille varigheden af pulsen.
Bemærk: for at lette tilpasningen er det bedst at montere spejl < M1 > og < m2 > adskilt fra de to Rister og det translationelle stadie, som de er monteret på. Bemærk også, at pikosekund Pulse ses som en bred piedestal sammen med en central FS Pulse peak funktion under delvist tilstand-låst operation17. - Øg gradvist pumpens effekt over 0,5 W for at finde den maksimale pumpeeffekt. Kræfter op til ~ 5W er blevet testet. Brug IR-området til konstant at observere den aktive fiber < 4 >. Hvis en lys plet vises, pumpens effekt er for høj i hulrummet, og det er sandsynligt, at brænde den aktive fiber på dette pumpe niveau.
Bemærk: den maksimale effekt af systemet afhænger af længden af den aktive fiber og tilpasningen af de in-hulrum fri plads komponenter. Protokollerne beskrevet her nå output beføjelser op til 1 W uden fremkomsten af lyse pletter eller forbrændinger til hulrummet, og denne effekt er mere end tilstrækkelig til de fleste Imaging applikationer. Højere output-beføjelser blev ikke afprøvet, men kan være muligt, selv om multipulsing sandsynligvis vil resultere16,17,18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det er afgørende at verificere tilstand-låst operation ved afslutningen af fiber laser fabrikation procedurer. Underskrifter af optimal FS Pulse generation og laser stabilitet er som følger: for det første kan udgangs pulsen være tilstrækkeligt karakteriseret ved instrumentering skitseret i trin 6. Puls spektret output fra laser oscillator bør centreres nær 1.070 nm med den karakteristiske kat-øre eller Batman form, der indikerer tilstand-låsning som forudsagt ved numerisk simulering af ANDi Pulse fysik15 (figur 2A). Selv om det karakteristiske spektrum er en glimrende indikator for puls kohærens, er yderligere tests berettiget for at sikre fuld tilstands låsning, stabilitet og den forventede laser ydeevne. Som en yderligere diagnose for mode låsning måles puls varigheden og impuls gentagelsen Power Spectra ved hjælp af henholdsvis autocorrelator og RF Spectrum Analyzer. Der forventes en enkelt top uden en piedestal for begge målinger under tilstand låst drift. Under autokorrelations målingerne kan risteparret indstilles til at opnå impuls komprimering. Puls varigheder på 70 FS (fuld bredde-halvt maksimum) blev målt (figur 2B). Denne dechirped impuls varighed nærmer sig den anslåede transformering begrænset komprimering af det nuværende laser design: Transformer grænsen beregnes ved hjælp af det målte puls spektrum. For det andet kan puls stabiliteten testes ved kontinuerligt at overvåge den gennemsnitlige udgangseffekt og puls spektret. Strøm afdrift er mindre end ± 3,5% over 24 timer (figur 2C) uden aktiv afkøling, når laser opsætningen er monteret på et flydende optisk bord med vibrationsdæmpning. Dette stabilitetsniveau er tilstrækkeligt til mange billeddiagnostiske eksperimenter. Systemet forbliver stabilt og selv startet i mere end en uge, når det tændes. De frie rumkomponenter gennemgår mekanisk drift, og tilstands låsen går tabt efter flere uger, men tilstands låsning kan ofte genopnås ved mindre justeringer af bølge pladerne som skitseret i trin 6.
Når tilstands låsning er verificeret, er det også vigtigt at teste billedbehandlings ydelsen under praktiske fejl og ikke-lineære mikroskopi eksperimenter ved hjælp af simple testmål og biologiske prøver. For eksempel kan den brugerdefinerede fiber laser udgang være rettet ind i en kommerciel Laserscanning mikroskop for to-photon excitation (2PE) Fluorescens Imaging (figur 3a). Bemærk, at den ekstra hulrum isolator, selvom lossy, er nødvendig for at forhindre tilbage refleksioner fra mikroskopet optik fra indtastning af laser oscillator. Disse tilbage refleksioner ofte afbryde tilstand-låsning og fluorescens signal generation under billeddannelse. Her blev en test udført med et kommercielt confokal laser scannings mikroskop og en nedsænket detektor med et pinhole indstillet til den maksimale størrelsesindstilling for at øge det indsamlede fluorescens signal. En simpel test prøve for mikroskopi er målingen af en fluorescerende farvestof opløsning. Et foreslået første mikroskopi eksperiment er at måle det fluorescerende farve signal under justeringer af pulsstrømmen ved hjælp af et sæt neutrale tætheds filtre. Dette medvirker til at verificere, at fluorescens signalet er kvadratisk afhængigt af den laser effekt, der leveres til prøve planet (figur 3B), hvilket er det forventede respons for 2pe. Dernæst kan billeder af biologiske prøver indsamles usingnonlinear 2pe væv Auto luorescens, for eksempel (Se figur 3C, en uplettet, fast saltlage rejer prøve) samt anden harmonisk generation (SHG) fra kollagen fibriller og 2pe af ydre fluorescerende pletter (Se figur 3D, en frisk exciseret kyllinge væv prøve farvet med b B). Som en yderligere verifikation af 2pe, indsamlede 2pe hyperspectral billeder af multi farve fluorescerende mikrosfære test mål blev sammenlignet med hyperspectral billeder taget af lineær excitation med kommercielle Diode lasere (figur 4). Single-photon excitation og 2PE fluorescens Spectra blev analyseret og sammenlignet for to af mikrosfæren farver svarende til to fluorescerende farvestoffer ophidset separat af kommercielle, kontinuerlig bølge 514 nm og 594 nm lasere. Fluorescens spektre, der er ophidset af den specialbyggede laser, er identiske med spektrene taget med de kommercielle kontinuerlige bølge lasere (Single-photon excitation). Tilsammen indikerer disse resultater, at Custom FS fiber laser genererer pulser med tilstrækkelig spidseffekt og ensartethed til at generere 2PE fluorescens og SHG.
Figur 1: skematisk af den brugerdefinerede fiber laser og puls karakterisering setup. De nummererede sorte streger 1 og 2 indikerer pumpens laser udgang. De nummererede sorte linjer 3 − 7 indikerer intracavity fibre med længden af hver fiber mellem de splintre punkter, som er angivet i meter. De unummererede sorte streger indikerer ekstra hulrum fibre. Kryds (x)-mærkerne angiver Splice-punkter. De røde linjer er fri-plads lys stier. Den tykke sorte linje mellem OSC og Photo Diode (PD) indikerer et BNC-kabel. RF Spectrum Analyzer, som tager den samme position som OSC, når den anvendes, vises ikke i figuren, fordi RF-spektrumanalysatoren kan byttes ind i opsætningen for OSC ved hjælp af BNC-stikket. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: resultaterne af laser karakterisering. A) spektret af udgangs pulsen fra funktions låsning sammenlignet med numerisk simulering. B) intensiteten af autokorrelations signalet for den dechirpede puls sammenlignet med den numeriske simulering af Transformations grænsen. C) laserens udgangseffekt under 2 24 h-stabilitetstests. (Tilpasset fra Davoudzadeh et. al.17) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: resultat tests af MPE mikroskopi. (A) skematisk af den specialbyggede fiber laser med dens udgang rettet ind i en kommerciel confokale mikroskop. B) log-log-plottet, der viser den kvadratiske afhængighed af det maksimalt tilladeligt fluorescens signal som en funktion af laser udgangseffekt, målt ved hjælp af en opløsning af fluorescerende farvestof. (C) 2pe autofluorescens billede af en uplettet og fast saltlage rejer prøve ved hjælp af Custom FS fiber laser. (D) SHG (cyan) af kollagen fibriller og 2pe fluorescens (magenta) af b B-farvede celler fra en frisk exciseret kyllingevæv ved hjælp af Custom FS fiber laser. Skala stænger = 50 μm. (tilpasset fra Davoudzadeh et. al.17) Klik venligst her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: en sammenligning af 2pe fluorescens ved hjælp af Custom FS fiber laser versus enkelt-photon excitation (1pe) ved hjælp af kommercielle Diode lasere. A) etmultikanal 1pe-billede af spektralt adskilte mikroperler, der anvender flere forskellige Diode lasere (venstre; 1pe bølgelængder er angivet i nm.) Den fluorescerende intensitet profil af de samme perler ophidset af en 514 nm Diode Laser (midten) og af Custom FS fiber laser (højre). Skala stænger = 50 μm. (B) de normaliserede spektre af grønne (venstre) og røde (højre) perler ophidset af diodelaseren versus Custom FS fiber laser. (Tilpasset fra Davoudzadeh et. al.17) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Splejnings punkt | A | B | C | D |
| Venstre fiber indeks | 1 | 3 | 4 | 6 |
| L belægning diameter (μm) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| L pletteret diameter (μm) | 125 | 130 | 125 | 125 |
| L Kernediameter (μm) | 105 | 5 | 6 | 6 |
| L MFD (μm) | 105 | 4,8 | 7 | 6,2 |
| Højre fiber indeks | 2 | 4 | 5 | 7 |
| R belægning diameter (μm) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| R pletteret diameter (μm) | 125 | 125 | 125 | 130 |
| R Kernediameter (μm) | 105 | 6 | 6 | 5 |
| R MFD (μm) | 105 | 7 | 6,2 | 4,8 |
Tabel 1: en oversigt over parametrene for pumpe laser fiber Splice punkt (A) samt de tre intracavity fiber Splice punkter (B-D). Her retningen af lys formering er fra venstre fiber til højre fiber. L = venstre fiber i Splice led; R = højre fiber i Splice led; MFD = gennemsnitlig felt diameter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollerne skitseret her syntetisere knowhow og ekspertise, der har været almindelig praksis i laserfysik laboratorium i årtier, men som ofte er ukendt for mange biomedicinske forskere. Dette arbejde forsøger at gøre denne ultrahurtig fiber laserteknologi mere tilgængelig for det bredere samfund. ANDi fiber laser design er veletableret, som først udviklet i skelsættende værker af Wise og kolleger3. Men, implementeringer af denne teknologi af andre grupper har undertiden resulteret i rapporter om lasere, der ikke fungerer korrekt, illustrerer behovet for yderligere at uddanne biomedicinske forskere i nontrivielle aspekter af puls karakterisering og tilstand-låst operation.
Bemærk, at Custom laser fabrikation og drift er generelt ikke egnet til laboratorier ukendte med laser drift og sikkerhed. Lasersikkerhed uddannelse og overvejelse af farer er afgørende, før du forsøger opførelse af en klasse 4 laser. Fordi Lasersystemet er åbent, er der to store refleksions bjælker (kommer fra kompressoren riste og i-kavitets PBS) og flere mindre refleksioner fra andre optik, der skal blokeres. De frie rum komponenter skal fastgøres til en stabil optisk tabel for at opretholde tilpasningen. I modsætning hertil er kommercielle lasere altid lukket for sikkerhed og ofte udnytter Auto-justeringsmekanismer, hvilket gør dem lettere og sikrere at betjene.
Som nævnt, den brugerdefinerede FS fiber laser præsenteret her repræsenterer måske den bedste præstation, der kan forventes for en let konstrueret system, der minimerer materialeomkostninger. Design og kvalitet af splejsninger er en afgørende faktor for laser effektivitet, nem fabrikation, og robusthed til at brænde punkt skader. En lav-kvalitet Splice kan ikke kun reducere pumpens output effektivitet, men også generere varme under drift og dermed beskadige hulrummet. For at opnå høj kvalitet splices, skal man sørge for fiber Cleaver og splicer er rene. Som nævnt ovenfor, bomuld vatpinde gennemblødt med alkohol bør anvendes til at rense alle arbejdsflader på en regelmæssig basis. Hertil kommer, når store kløver vinkler (> 0,3 °) forekomme, anbefales det kraftigt at recleave for at forbedre Splice kvalitet.
Når tilstand-låst, systemet er ganske stabilt og forbliver selvstart i en periode på mere end en uge. I tilfælde af utilsigtet forstyrrelser i systemet eller mekanisk drift af de frie rum komponenter over tid, vil systemet miste tilstand-låsning, men den tilstand-låsning laser kan ofte nemt inddrives ved en anelse justere bølge pladerne. For at opretholde stabil udgang, temperaturkontrol af den aktive fiber er nøglen. Derfor er systemet bedst bruges i et værelse med aircondition med minimal luftstrøm i nærheden af det. Systemet er relativt uigennemtrængelige for små vibrationer. Faktisk kan effekten af mekaniske vibrationer ikke observeres i både tidsmæssige og spektral domæner, hvis systemet er sat på en passiv vibrationsdæmpet optisk tabel. Berøring af fiberkomponenterne i oscillator vil forstyrrer mode-Lock, men tilstand-låsning gendannes blot ved at returnere fibrene tilbage til sin omtrentlige oprindelige position.
Endelig er den kompakte formfaktor af FS fiberlasere attraktivt for udvikling af mobile kliniske systemer. (f. eks. mobile Cart-baserede systemer). Mens mindre i størrelse sammenlignet med en solid-state laser, den brugerdefinerede fiber laser design præsenteret her indeholder flere Free-Space komponenter, der kræver justering. Dette begrænser systemets mobilitet betydeligt. Det er muligt at erstatte alle disse Free-Space komponenter med fiber komponent analoner. Fremtidigt arbejde vil omfatte udvikling af nye All-fiber laser designs ved hjælp af PM fiber til at udvikle systemer, der er robuste over for miljømæssige ændringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ikke konkurrerende interesser.
Acknowledgments
Vi takker DRs. E. Cronin-Furman og M. Weitzman (Olympus Corporation fra Americas Scientific Solutions Group) for at hjælpe med at erhverve billeder. Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health Grant K22CA181611 (til B.Q.S.) og Richard og Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith familie Award for topkvalitet inden for biomedicinsk forskning (til B.Q.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).
