Goedkope Custom fabricage en modus-vergrendelde werking van een all-Normal-dispersie Femtosecond Fiber laser voor Multiphoton microscopie
Summary
Een methode wordt gepresenteerd voor het bouwen van een aangepaste lage kosten, modus-vergrendelde femtosecondelaser Fiber laser voor potentiële toepassingen in multiphoton microscopie, endoscopie, en photomedicine. Deze laser is gebouwd met behulp van commercieel verkrijgbare onderdelen en elementaire splicing technieken.
Abstract
Een protocol wordt gepresenteerd voor het bouwen van een aangepaste Low-cost nog high-performance femtosecondelaser (FS) Fiber laser. Deze all-Normal-dispersie (ANDi) ytterbium-doped Fiber laser is volledig gebouwd met behulp van commercieel verkrijgbare onderdelen, waaronder $8.000 in Fiber Optic en pomp Laser componenten, plus $4.800 in standaard optische componenten en extra-holte accessoires. Onderzoekers nieuw voor Fiber Optic apparaat fabricage kunnen ook overwegen te investeren in basis vezel splicing en laser Pulse karakterisatie apparatuur (~ $63.000). Belangrijk voor een optimale werking van de laser, methoden om te controleren waar versus schijnbare (gedeeltelijke of ruis-achtige) modus vergrendelde prestaties worden gepresenteerd. Dit systeem behaalt 70 FS pulsduur met een middengolf lengte van ongeveer 1.070 nm en een puls herhalingssnelheid van 31 MHz. Deze fiber Laser vertoont de piekprestaties die kunnen worden verkregen voor een eenvoudig geassembleerd Fiber lasersysteem, waardoor dit ontwerp ideaal is voor onderzoeklaboratoria gericht op het ontwikkelen van compacte en draagbare FS-Laser technologieën die nieuwe implementaties van klinische multiphoton microscopie en FS chirurgie.
Introduction
Solid State femtosecondelaser (FS) gepulseerde lasers worden veel gebruikt voor microscopie en biologisch onderzoek. Een typisch voorbeeld is het gebruik van multiphoton excitatie (MPE) fluorescentiemicroscopie, waarbij een hoog piekvermogen en een laag gemiddeld vermogen gewenst zijn om het MPE-proces te vergemakkelijken, terwijl fotoschade mechanismen worden geminimaliseerd. Veel high-performance Solid-State lasers zijn commercieel beschikbaar, en in combinatie met een optische parametrische oscillator (OPO), kan de laser golflengte worden afgesteld over een breed bereik1. Bijvoorbeeld, commerciële oscillator-OPO systemen genereren 1 W gemiddelde vermogen van 680 tot 1.300 nm. De kosten van deze commerciële tunable FS-lasersystemen zijn echter significant (> $200000), en Solid-State systemen vereisen over het algemeen Waterkoeling en zijn niet draagbaar voor klinische toepassingen.
Ultra Short gepulseerde Fiber lasertechnologie is de afgelopen jaren gerijpt. De kosten van een commerciële FS gepulseerde Fiber laser is meestal aanzienlijk lager dan Solid-State lasers, zij het zonder de mogelijkheid van brede golflengte tuning geboden door de Solid-State Systems bovengenoemde. Merk op dat fiberlasers kunnen worden gekoppeld met OPOs wanneer gewenst (dat wil zeggen, hybride vezel-Solid-State systemen). De grote oppervlakte-volume verhouding van Fiber lasersystemen maakt efficiënte luchtkoeling mogelijk2. Daarom zijn fiberlasers draagbaarder dan Solid-State systemen vanwege hun relatief kleine omvang en vereenvoudigd koelsysteem. Verder vermindert fusie splitsing van de vezel componenten de complexiteit van het systeem en de mechanische drift in tegenstelling tot de vrije ruimte-uitlijning van de optische componenten die Solid-State apparaten maken. Al deze functies maken fiberlasers ideaal voor klinische toepassingen. Eigenlijk, alle-fiberlasers zijn ontwikkeld voor onderhoudsarme werking3,4,5, en all-polarisatie-onderhoud (PM)-fiberlasers zijn stabiel voor omgevingsfactoren, met inbegrip van veranderingen in temperatuur en vochtigheid, alsmede mechanische trillingen2,6,7,8.
Hier wordt een methode gepresenteerd voor het bouwen van een kostenefficiënte FS gepulseerde ANDi Fiber laser met commercieel beschikbare onderdelen en standaard Fiber splicing technieken. Methoden voor het karakteriseren van puls herhalingssnelheid, duur en coherentie (Full-mode-Lock) worden ook gepresenteerd. De resulterende Fiber Laser genereert modus-vergrendelde pulsen die kunnen worden gecomprimeerd tot 70 FS met een herhalingssnelheid van 31 MHz en een golflengte gecentreerd op 1.060 tot 1.070 nm. Het maximale uitgangsvermogen van de laser holte is ongeveer 1 W. De Pulse Physics van Andi fiberlasers maakt elegant gebruik van niet-lineaire polarisatie evolutie intrinsiek aan glasvezel als een belangrijk onderdeel van de verzadigbare Absorber2,3,9,10,11. Dit betekent echter dat het ANDi-ontwerp niet gemakkelijk wordt geïmplementeerd met behulp van PM-vezels (hoewel een all-PM Fiber-implementatie van ANDi-modus vergrendeling is gerapporteerd, zij het met laag vermogen en PS Pulse-duur12). Milieu stabiliteit vergt dus een aanzienlijke engineering. De volgende generatie Fiber Laser ontwerpen, zoals de Mamyshev oscillator, hebben het potentieel om volledige milieu stabiliteit te bieden als all-pm-Fiber apparaten die een orde-van-magnitude toename van de intracavity Pulse energie kunnen, evenals het aanbieden van significante dalingen in de pulsduur om toepassingen mogelijk te maken die afhankelijk zijn van Broad Pulse Spectra13,14. Aangepaste fabricage van deze innovatieve nieuwe FS Fiber Laser ontwerpen vereist knowhow en Fiber splicing ervaring.
Protocol
Representative Results
Discussion
De protocollen die hier worden geschetst synthetiseren knowhow en expertise die zijn gebruikelijk in de laser fysica laboratorium decennia lang, maar dat is vaak onbekend bij veel biomedische onderzoekers. Dit werk probeert deze ultrasnelle Fiber lasertechnologie toegankelijker te maken voor de bredere gemeenschap. Het Andi Fiber laserdesign is goed opgezet, zoals voor het eerst ontwikkeld in zaad werken van Wise en collega’s3. De implementaties van deze technologie door andere groepen hebben echt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken drs. E. Cronin-Furman en M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) voor hulp bij het verwerven van afbeeldingen. Dit werk werd gesteund door National Institutes of Health Grant K22CA181611 (to B.Q.S.) en de Stichting Richard en Susan Smith Family (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in biomedisch onderzoek (to B.Q.S.).
Materials
| 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-1000-1040-60×12.3-94 | 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, &. #. 1. 9. 3. ;., 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).
