Summary
Une méthode est présentée pour construire un laser à fibres femtosecondes à faible coût et verrouillé par mode pour des applications potentielles en microscopie multiphoton, endoscopie et photomédecine. Ce laser est construit en utilisant des pièces disponibles dans le commerce et des techniques d'épissage de base.
Abstract
Un protocole est présenté pour construire un laser à fibres femtoseconde (fs) personnalisé saille à faible coût et haute performance. Ce laser à fibres entièrement normal (ANDi) dopé à l'ytterbium est entièrement construit à l'aide de pièces disponibles dans le commerce, y compris 8 000 $ en composants laser à fibres optiques et à pompe, plus 4 800 $ en composants optiques standard et accessoires extra-cavité. Les chercheurs nouveaux à la fabrication de dispositif de fibre optique peuvent également envisager d'investir dans l'épissage de fibre de base et l'équipement de caractérisation d'impulsion de laser ($63.000). Important pour le fonctionnement optimal du laser, des méthodes pour vérifier les performances de mode de type réel (partielle ou sonore) sont présentées. Ce système atteint une durée d'impulsion de 70 fs avec une longueur d'onde centrale d'environ 1 070 nm et un taux de répétition d'impulsions de 31 MHz. Ce laser de fibre montre les performances maximales qui peuvent être obtenues pour un système laser de fibre facilement assemblé, qui rend cette conception idéale pour des laboratoires de recherche visant à développer des technologies laser compactes et portables de fs qui permettent de nouvelles implémentations de microscopie multiphoton clinique et chirurgie fs.
Introduction
Les lasers pulsés à l'état solide de femtoseconde (fs) sont largement utilisés pour la microscopie et la recherche biologique. Un exemple typique est l'utilisation de la microscopie à fluorescence par excitation multiphoton (MPE), où une puissance de pointe élevée et une faible puissance moyenne sont souhaitées pour faciliter le processus MPE tout en minimisant les mécanismes de photodommage. De nombreux lasers à état solide haute performance sont disponibles dans le commerce, et lorsqu'ils sont combinés avec un oscillateur paramétrique optique (OPO), la longueur d'onde laser peut être réglé sur une large gamme1. Par exemple, les systèmes d'oscillation commerciale-OPO génèrent des durées d'impulsions de lt;120 fs (généralement avec un taux de répétition d'impulsions de 80 MHz) et une puissance moyenne de 680 à 1 300 nm. Cependant, le coût de ces systèmes laser tunables commerciaux est important (200 000 $), et les systèmes à état solide nécessitent généralement un refroidissement de l'eau et ne sont pas portatifs pour des applications cliniques.
La technologie laser à fibres pulsées ultracourtes a mûri au cours des dernières années. Le coût d'un laser commercial de fibre pulsée de fs est typiquement sensiblement inférieur aux lasers à état plein, quoique sans la capacité de l'accord de longueur d'onde large offerte par les systèmes à état solide mentionnés ci-dessus. Notez que les lasers à fibres peuvent être jumelés à des OPO lorsque vous le souhaitez (c.-à-d., systèmes hybrides à fibres solides). Le grand rapport surface-volume des systèmes laser à fibres permet un refroidissement efficace de l'air2. Par conséquent, les lasers à fibres sont plus portables que les systèmes à état solide en raison de leur taille relativement petite et système de refroidissement simplifié. En outre, l'épissage de fusion des composants de fibre réduit la complexité du système et la dérive mécanique contrairement à l'alignement de l'espace libre des composants optiques qui composent les dispositifs à état solide. Toutes ces caractéristiques font des lasers de fibre idéaux pour des applications cliniques. En fait, les lasers tout-fibre ont été développés pour l'opération de bas-entretien3,4,5, et tous les lasers de polarisation-maintien (PM)-fibre sont stables aux facteurs environnementaux comprenant des changements dans la température et l'humidité aussi bien que les vibrations mécaniques2,6,7,8.
Ici, une méthode est présentée pour construire un laser à fibres ANDi pulsés fs rentable avec des pièces disponibles dans le commerce et des techniques standard d'épissage de fibres. Des méthodes pour caractériser le taux de répétition des impulsions, la durée et la cohérence (verrouillage en mode complet) sont également présentées. Le laser à fibres qui en résulte génère des impulsions verrouillées par le mode qui peuvent être comprimées à 70 fs avec un taux de répétition de 31 MHz et une longueur d'onde centrée sur 1 060 à 1 070 nm. La puissance maximale de sortie de la cavité laser est d'environ 1 W. La physique des impulsions des lasers à fibres ANDi utilise élégamment l'évolution de polarisation non linéaire intrinsèque à la fibre optique comme composant clé de l'absorbeur saturable2,3,9,10,11. Cependant, cela signifie que la conception ANDi n'est pas facilement mis en œuvre en utilisant la fibre PM (bien qu'une implémentation de fibre tout-PM de verrouillage du mode ANDi a été signalé, mais avec une faible puissance et ps durée d'impulsion12). Ainsi, la stabilité environnementale nécessite une ingénierie importante. Les conceptions laser de fibre de prochaine génération, telles que l'oscillateur de Mamyshev, ont le potentiel d'offrir la stabilité environnementale complète en tant que dispositifs tout-PM-fibre capable d'une augmentation de l'ordre de grandeur de l'énergie d'impulsion intracavité aussi bien qu'offrant des diminutions significatives dans la durée d'impulsion pour permettre des applications qui s'appuient sur de larges spectres d'impulsion13,14. La fabrication personnalisée de ces nouvelles conceptions innovantes de laser de fibre de fs exige le savoir-faire et l'expérience d'épissage de fibre.
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Protocol
1. Fibres de mode unique d'épissure (SMF)
REMARQUE : La section 1 consiste en des étapes générales pour épissage des FSM. Il s'agit d'une étape non essentielle, mais recommandée, pour pratiquer des épissures de fibres en utilisant des fibres bon marché. Cette étape assure une bonne performance de l'équipement d'épissage avant d'utiliser des matériaux à fibres optiques plus précieux.
- Encouper la première fibre.
- Bande environ 30 mm de la fibre avec un outil de décapage de fibre. Pour les fibres fragiles (p. ex., fibres doubles vêtues), une lame de rasoir peut être utilisée pour décoller soigneusement le tampon.
- Utilisez des tissus sans matière de papier à pouvez-vous utiliser avec de l'éthanol ou de l'isopropanol pour nettoyer la fibre dépouillée. Un bourdonnement lors de l'essuyage de la fibre indique que la fibre est suffisamment propre.
- Placez le support de fibre sur le couperet de fibre. Assurez-vous que la lame, la pince à fibres du couperet et le porte-fibres sont tous propres. Les cotons-tiges avec de l'alcool peuvent être utilisés pour nettoyer ces parties du couperet.
- Chargez soigneusement la fibre dans le support de fibre. Laisser environ 25 mm de fibres dépouillées et propres à l'extrémité libre pour que le couperet se pince.
- Fermez délicatement la pince à fibres sur le couperet. Pour éviter une tension supplémentaire appliquée à la fibre, rouvrez et fermez la pince afin que la tension soit libérée.
- Appuyez sur le bouton "couper" et le couperet coupera automatiquement la fibre.
REMARQUE: Pour s'assurer que la fibre reste propre, rien ne doit toucher la pointe de la fibre après clivage. - Transférer le support de fibre à l'épissage de fusion. Utilisez une pince à épiler pour déplacer la pièce coupée de la fibre vers un récipient d'élimination des aigus.
CAUTION: Les pinces dures et les pointes pointues de pince à épiler peuvent casser la fibre. Une pince appropriée pour manipuler la fibre optique devrait avoir le plastique, bouts arrondis.
- Couper la deuxième fibre.
- Répétez l'étape 1.1 sur la deuxième fibre avec l'autre support de fibre. Les deux fibres à épisser doivent être clivées avec les extrémités clivées tenues opposées les unes aux autres par les supports de fibre dans l'épissage de fibre.
- Fermez la couverture de l'épicier.
- Fusion épissage des fibres.
- Configurez les paramètres sur l'épissage de fusion, y compris le diamètre du noyau, le diamètre du champ de mode (MFD) et le diamètre du revêtement. Définir la méthode d'alignement sur le revêtement.
- Appuyez sur le bouton de démarrage, et l'épissage s'alignera automatiquement.
REMARQUE : Il est possible d'obtenir des messages d'erreur concernant une mauvaise forme de clivage ou un grand angle de cisail. Cela est généralement dû à un mauvais clivoual ou la contamination de la fibre après le cliv. Si cela se produit, répétez la procédure de clivage de fibre. - Appuyez sur le bouton de démarrage à chaque arrêt pour confirmer la qualité de l'épissage. L'épissage sera fait automatiquement.
- Vérifiez la qualité de l'épissage par le biais des contrôles de qualité effectués par l'épissage ainsi qu'en utilisant la vue de la caméra de la région épissage. Une bonne épissure a une limite uniforme de revêtement et une luminosité uniforme le long de la fibre telle qu'aucune jonction d'épissage n'est visible.
REMARQUE : Les épisseurs de fibres incluent souvent l'optique pour inspecter l'épissage et pour estimer la perte de puissance basée sur la géométrie mesurée, la forme, et la réfraction de lumière par la fibre utilisant une source perpendiculaire à la fibre pour voir, imager, et analyser l'articulation d'épissage. Bien sûr, ce n'est qu'une estimation, mais elle est suffisante dans la plupart des cas. Pour les fibres identiques, l'épissage estimera cette perte à 0 dB (c'est-à-d. aucune perte détectable). D'après les résultats précédents avec les épissures de fibres dissemblables décrites ci-dessous, les estimations épissauses des pertes de puissance vont de 0,07 dB (points d'épissage B et C, figure 1) à 0,3 dB (point d'épissage D). Ces estimations surestiment probablement la perte due à la géométrie dépareillée et à la réfraction de la fibre optique dissemblable, qui apparaissent faussement comme des objets défectueux. - Ouvrez le couvercle de l'épissage, puis ouvrez l'un des supports de fibres. L'autre support de fibre ne devrait pas être ouvert jusqu'à ce que la fibre épissée soit enlevée de l'épissage.
- En option, un manchon en fibre peut être ajouté pour protéger l'épissure. Le réchauffeur sur l'épissage peut être utilisé pour mouler la manche sur la fibre. Alternativement, un pistolet à air chaud peut être utilisé.
REMARQUE: Si les deux fibres sont très longues ou attachées à d'autres composants, le manchon doit être mis sur l'une des fibres avant de clivage, puis il peut être déplacé vers le point d'épissage. La manche en fibre agit comme un tube de rétrécissement de chaleur dans les circuits électroniques. Il peut être utilisé pour protéger le point d'épissage d'une flexion ou d'une force de traction. Un recoater de fibre peut être employé au lieu pour recouvrir le point d'épissage pour la protection maximale du point d'épissage aux dommages mécaniques, bien qu'à une dépense supplémentaire importante parce que cet équipement doit être acheté s'il n'est pas facilement disponible.
2. Assembler les pièces de fibre
- Épissure de la fibre de sortie de la pompe 'lt;1 'gt; avec l'entrée de la pompe 'lt;2 'gt; de la pompe signal combiner (voir le diagramme laser fibre, Figure 1).
- Suivez la section 1 pour couper et épissage des fibres. Utilisez le paramètre par défaut du programme BASIC I SP, à l'exception des paramètres de fibre (2-A et 2-B) qui doivent être entré manuellement. Les paramètres d'épissage qui doivent être saisis se trouvent dans le tableau 1.
- Épissage de la sortie de combinaison à la fibre active Yb dopé.
- Suivez l'étape 1.1 pour couper la fibre de sortie de combinaison .lt;3'gt;.
- Cleave la fibre active 'lt;4 'gt;.
REMARQUE: Parce que la fibre active 'lt;4 'gt; a un revêtement octogonal, il ne correspond pas à la V-groove du couperet de fibre. Par conséquent, un simple clivre tel que décrit à l'étape 1.1 donnera un angle de ciseau relativement grand. Ainsi, les étapes suivantes décrivent un protocole spécial pour atteindre un angle de claqueplat plat en utilisant le même équipement.- Suivez la section 1 pour couper et épissage de la fibre active 'lt;4 'gt; et un morceau de 6/125 SMF. Ce SMF est supprimé plus tard et n'est pas incorporé dans le laser. Par conséquent, il est acceptable si la qualité de cet angle de clivat est médiocre. Il n'est pas important d'obtenir un angle de claquement plat pour cette étape.
- Couper le SMF à environ 2 cm du point d'épissage à l'aide d'un coupe-fils.
- Dénuder toute la longueur du SMF, et dépouiller la fibre active pour un autre 0.5 cm. Maintenant, la fibre active est recouverte de 2 cm de SMF sans amortisseurs.
- Chargez la fibre active dans le couperet comme dans les étapes 1.1.3-1.1.5. Assurez-vous que seul le SMF, qui a un revêtement circulaire, est serré par la pince à fibres.
- Suivez les étapes 1.1.6 et 1.1.7 pour cencouper la fibre active .lt;4.gt;. Puisque seul le SMF est dans le V-groove, ce clivage donnera un angle de clivat minimal.
- Suivez l'étape 1.3 pour épissage des fibres.
- Mesurer grossièrement la puissance totale de sortie de l'extrémité distale de la fibre active .lt;4 ..
- Coupez la fibre active à 3 m du point d'épissage à 3 m de l'ibe de l'épissage. La fibre active plus longue peut être employée pour une puissance de sortie plus élevée, mais le taux de répétition sera réduit dû à l'augmentation de la longueur de cavité.
- Cleave la fin de l'ill;4C -gt; comme mentionné à l'étape 1.1.
REMARQUE : Étant donné que la mesure de puissance à l'étape suivante est estimée, il n'est pas nécessaire d'utiliser la méthode mentionnée à l'étape 2.2.2. - Pointez la fibre vers le compteur de puissance et rassemblez la fibre et le compteur de puissance sans contact physique.
AVERTISSEMENT: Mettre la pointe de la fibre trop près du compteur de puissance peut éventuellement endommager le capteur de compteur de puissance, comme la puissance de la lumière est concentrée à un petit point sur le capteur. Pour éviter cela, utilisez une puissance de pompe minimale fiable. - Lisez la puissance de sortie du compteur de puissance. Un grand (-gt;80%) le débit d'efficacité indique des épissures de qualité suffisantes aux points 'lt;A'gt; et 'lt;B'gt;.
REMARQUE: Il est normal d'avoir une certaine perte de puissance due à l'absorption de la fibre active et en raison de l'inefficacité de la méthode d'accouplement au compteur de puissance comme mentionné dans les étapes 2.3.2 à 2.3.3.
- Épissage de la fibre active 'lt;4 'gt; à l'entrée 'lt;5 'gt; du collimateur 'lt;Col1 'gt;.
- Suivez l'étape 2.2.2 pour cender la fibre active 'lt;4 'gt; sur la fin 'lt;C'gt; pour être épissé au collimateur.
- Coupez l'entrée à environ 40 cm de l'entrée de lt;5.gt; de collimateur.Col1;gt;
REMARQUE : La longueur de la fibre passive (lt;5-gt;) ne devrait pas être trop longue (40 cm), parce que l'impulsion amplifiée s'élargira considérablement dans le temps et le domaine spectral en raison de la modulation d'auto-phase accrue (SPM) et de la dispersion de vitesse de groupe (GVD) passage suivant à travers la fibre de gain (amplification d'impulsion). Ces effets augmenteront la difficulté de compression d'impulsion. - Suivez les étapes 1.1 et 1.3 pour couper l'entrée de collimateur et épissage des fibres actives et collimateur.
REMARQUE: Cette épissure 'lt;C'gt; épissure d'une double fibre revêtue à un SMF peut sembler être d'une qualité inférieure à celle des épissures précédentes. Cependant, la performance réelle ne dépend que de l'alignement du noyau parce que l'impulsion se propage dans le noyau.
- Splice fibre 'lt;6 'gt; du deuxième collimateur 'lt;Col2 'gt; à la fibre d'entrée de signal 'lt;7 'gt; de la combinaison.
- Suivez la section 1 pour couper et épissage des fibres.
3. Montez les pièces de fibre à la table optique
- Montez le laser de pompe à la table optique avec des vis et toutes les pinces nécessaires.
- Montez le signal de la pompe à la table optique avec des pinces. La pâte thermique peut être utilisée entre le combiné et la table, parce que la table optique fonctionne comme un évier de chaleur pour le combiné.
- Placez les fibres sur la table. Fibres 1, 2, 3, 5, 6, et 7 peuvent être enroulés individuellement pour économiser de l'espace, tandis que la fibre active 4 doit être soit droite ou enroulée lâchement avec un rayon de courbure -gt;20 cm. Laissez un peu d'espace pour accéder à l'épissage lt;C -gt; pour l'étape suivante.
CAUTION: Une forte courbure dans la fibre active peut provoquer le signal de la pompe pour échapper au revêtement intérieur de la fibre active. Cela peut conduire à des points de brûlure fatale le long de la fibre active qui nécessitera l'installation d'une nouvelle fibre active. - Appliquer le gel correspondant à l'indice sur l'épissage de l'indice .C.C.. Le gel correspondant à l'indice est utilisé pour guider la lumière de la pompe hors de la fibre active afin de réduire la génération de chaleur et de dommages thermiques au point d'épissage. Notez qu'il n'est pas nécessaire de recouvrir la fibre. Il est préférable de laisser la fibre nue et enduite de gel correspondant à l'index afin de minimiser le risque de dommages thermiques.
- Utilisez des pièces optomécaniques pour monter et fixer les deux collimateurs 'lt;Col1'gt; et 'lt;Col2'gt; sur la table optique. Les collimateurs doivent se faire face avec une séparation d'environ 35 cm pour fournir suffisamment d'espace pour insérer les composants de l'espace libre dans la cavité.
4. Assembler les pièces d'espace libre
- Allumez le laser de la pompe. Définir la puissance à 0,5 W (c.-à-d. au-dessus du seuil de verrouillage du mode mais une puissance sûre pour aligner les composants du système).
AVERTISSEMENT : À ce stade, l'espace de laboratoire doit être certifié laser de classe IV, les lunettes de sécurité laser doivent être portées et le personnel doit avoir reçu une formation laser de classe IV. - Utilisez une lunette infrarouge (IR) pour vérifier le point d'épissage .lt;C.C.. Appliquer le gel correspondant à l'indice sur les points lumineux observés à travers la portée de l'IR (indicatif de points potentiels de dommages thermiques) afin d'aider la lumière à s'échapper à ces points de risque.
- Ajustez la position des deux collimateurs de sorte qu'ils pointent directement l'un vers l'autre. Une carte d'affichage IR peut être utilisée pour aider l'alignement du faisceau centré aux ouvertures d'entrée du collimateur.
- Montez un séparateur de faisceau polarisant (PBS) à 6 cm de l'album.Col1;. Montez le capteur d'un compteur de puissance de sorte que la puissance du faisceau de sortie laser réfléchi peut être mesurée en permanence. La longueur d'onde du compteur de puissance doit être fixée à 1 060 nm. Une lecture de puissance de démarrage typique avec 0,5 W de puissance de la pompe est de 50 mW avant l'alignement.
- Ajustez les vis sur les supports collimateur pour augmenter la lecture du compteur de puissance. Continuer à faire des ajustements fins jusqu'à ce que la puissance de sortie atteigne une valeur maximale d'environ 150 mW, ce qui indique un excellent alignement.
REMARQUE : Cette étape exige un ajustement minutieux et patient, qui prend souvent du temps. Il est plus efficace de suivre une procédure systématique systématique: Tout d'abord, tourner les deux vis qui ajustent l'angle dans la même direction (X ou Y) sur les deux collimateurs, avec une vis tournant très lentement dans une direction tandis que l'autre tourne rapidement pour scanner tous les angles raisonnables. Continuez à suivre la lecture maximale du compteur de puissance. Une fois que la puissance maximale est trouvée, passer aux vis, en s'ajustant à une autre direction. Répétez la rotation lente et le balayage rapide décrit ci-dessus. En raison des réflexions des lentilles à l'intérieur des deux collimateurs, il est possible d'observer plusieurs maxima locaux tout en alignant les collimateurs. La puissance maximale réelle est beaucoup plus grande (150 mW) par rapport aux maxima locaux (70 à 80 mW). - Montez l'isolateur à 3 cm de l'album.Col2;. Ajustez à nouveau la direction des collimateurs pour aligner les composants de l'espace libre et maximiser la puissance de sortie. La présence de l'isolateur peut légèrement dévier l'alignement du faisceau, mais la puissance de sortie maximale est récupérée par des ajustements fins aux collimateurs.
- Montez le filtre birefringent 'lt;BF'gt;, une plaque de demi-vague 'lt;HWP'gt; et deux plaques d'onde de quart (lt;QWP1 'gt; et 'lt;QWP2 'gt;) aux positions correspondantes montrées dans la figure 1. Le filtre birefringent est pris en sandwich entre deux polariseurs -un avant (lt;PBS)) et un après (dans le 'lt;ISO'gt;)-pour créer un effet de filtre de bande-passe sinusoïdale. Il doit y avoir un petit angle d'incident de 3 à 5 degrés pour le 'lt;BF'gt; afin de contrôler la plage de longueur d'onde. Régler l'alignement des collimateurs une fois de plus jusqu'à ce que la puissance de sortie atteigne une valeur maximale.
5. Configurer des composants extra-cavité
- Épissure les trois ports du splitter (Figure 1) avec des connecteurs à fibre optique (FC) ou des connecteurs SubMiniature version A (SMA). Les types de connecteurs dépendent des ports d'entrée de la photodiode et de l'analyseur de spectre optique (OSA). Les étapes d'épissage sont identiques à celles décrites à la section 1 ci-dessus.
- Connectez une sortie du séparateur au port d'entrée photodiode de l'OSA et l'autre sortie à la photodiode à l'aide de connecteurs FC.
- Connectez le port de sortie de photodiode à l'oscilloscope (OSC) avec un câble Bayonet Neill-Concelman (BNC).
- Connectez le collimateur à lt;Col3-gt; au port d'entrée du séparateur.
REMARQUE: L'utilisation du connecteur pour connecter le séparateur et le 'lt;Col3'gt; est pour plus de commodité. Cette connexion peut être remplacée par un épissage si désiré. - Retirez le capteur de compteur de puissance.
- Montez le petit miroir de lt;M1 et le premier compresseur râpage sur la table optique. Pour atteindre une efficacité maximale des grilles du compresseur, utilisez le compteur d'alimentation pour surveiller la puissance du maximum de premier ordre tout en ajustant l'angle d'incident en faisant pivoter la grille.
REMARQUE : Une phase de rotation peut être utilisée pour contrôler précisément la rotation. Comme la perte due au décalage de l'angle d'incident est faible, l'étape de rotation n'est pas utilisée ici pour réduire les coûts. - Montez la scène translationnelle sur la table. Montez le deuxième compresseur en râpage sur la scène translationnelle. La distance entre les grilles doit être d'environ 2 cm pour une compression optimale avec un réglage fin à l'aide du stade translationnel. Assurez-vous que les grilles sont parallèles.
- Montez le miroir compresseur sur la table optique. Ce miroir doit être vertical et perpendiculaire à la direction mobile de l'étape translationnelle.
- Montez le reste des miroirs, le séparateur de faisceau, et le collimateur 'lt;Col3'gt;. L'alignement sera ajusté plus tard.
- Allumez le laser de la pompe. Ajustez le niveau de la pompe à moins de 0,5 W.
- Utilisez une portée IR pour vérifier l'épissure 'lt;C'gt;. Ajouter le gel correspondant à l'index à tous les points lumineux.
REMARQUE : L'étape 5.11 doit être effectuée régulièrement pendant l'utilisation normale du laser. - Aligner le compresseur.
- Utilisez une carte IR pour localiser le faisceau, ajuster la position de 'lt;M1'gt;, et les grilles de compression de sorte que le faisceau de sortie traverse les parties de compression d'impulsion dans la séquence suivante: 'lt;M1'gt;, 'lt;G1'gt;, 'lt;G2'gt;, 'lt;M2'gt;, 'lt;G2'gt; , lt;G1 -gt;, lt;M1'gt;.
- Inclinaison 'lt;M2'gt; légèrement pour soulever le faisceau réfléchi, le faisant passer au-dessus du miroir de cueilleur d'impulsions 'lt;M1'gt;.
REMARQUE: 'lt;M2'gt; peut être remplacé par un rétroréflecteur de telle sorte que le miroir pickoff 'lt;M1'gt; n'ont pas besoin d'être incliné. Autrement dit, le faisceau réfléchi sera parallèle à la poutre incidente, mais déplacé, en utilisant un miroir rétroréfléchissant pour simplifier la configuration.
- Alignez le collimateur avec un faisceau de sortie du séparateur de faisceau.
- Activez l'OSA et configurez l'appareil en mode Power Meter.
- Ajustez l'angle du miroir et le collimateur pour maximiser l'entrée de puissance. La lecture de puissance doit être au-dessus de -10 dBm.
6. Atteindre des performances verrouillées par le mode avec la caractérisation de la sortie d'impulsion laser
- Allumez l'OSC et configurez l'instrument en mode accouplement AC avec le niveau de déclenchement réglé à 30 mV.
- Déplacez la fibre d'entrée de photodiode d'OSA à l'entrée monochromatique. Définir l'appareil en mode OSA.
- Verrouiller la phase du laser en ajustant les plaques d'onde15.
- Tournez -lt;QWP2'gt; plusieurs degrés d'avant en arrière. Le spectre de verrouillage du mode se compose grosso modo de deux pics stables avec un plateau entre eux (c.-à-d., une forme dite d'oreille de chat ou de Batman). Pendant ce temps, on peut observer un train à impulsions stable sur la CVMO.
- Si le spectre de verrouillage du mode n'est pas observé, tournez -lt;QWP1-gt; plusieurs degrés dans une direction et répétez l'étape 6.3.1.
- Si le spectre de verrouillage du mode ne peut pas être observé en répétant 6.3.2, puis tournez -lt;BF-gt; plusieurs degrés et répéter l'étape 6.3.2.
REMARQUE : Il existe plusieurs modes caractéristiques de l'opération laser qui peuvent être distingués en observant l'OSA : 1. Un ou deux pics étroits (1 nm). Il s'agit d'émissions spontanées amplifiées (ASE). 2. Un pic large (50 nm) bruyant avec des lignes cassées apparaissant au hasard. Il s'agit d'un spectre de verrouillage partiel du mode (PML). Dans ce mode d'impulsion sonore, l'intensité et la durée de chaque impulsion varient, ce qui se traduit par une mauvaise qualité d'image à moins que l'on n'intègre les fluctuations d'impulsion sur des temps de résidence plus longs de pixels. 17 3. Un pic ASE avec un fond très bruyant composé de nombreux pics de faible amplitude. Il s'agit d'un mode de commutation Q non verrouillé. Lorsque dans ce mode, le verrouillage du mode peut souvent être réalisé en tournant sur un petit angle. 4. Le spectre de verrouillage de mode en forme de Batman. Les « oreilles » ont généralement des amplitudes différentes avec un spectre plat entre les caractéristiques de bord pointue. Davoudzadeh et coll. fournissent des mesures détaillées et des résultats illustratifs pour chacun de ces modes d'opération17.
- Acquérir et analyser le spectre de la radiofréquence (RF).
- Déconnectez le câble BNC de la CVMO et connectez-le à l'analyseur de spectre RF.
REMARQUE : Il n'est pas recommandé d'utiliser un adaptateur de t-shirt BNC, car le sol forme une boucle fermée, ce qui induit un écho dans le circuit. L'analyseur de spectre RF n'est pas indiqué à la figure 1, parce qu'il prend la même position que la CVMO lorsqu'il est utilisé. - Suivez le manuel d'instructions sur l'analyseur du spectre RF pour localiser le pic du spectre principal. La fréquence attendue approximative peut être calculée en fonction du temps entre deux impulsions à l'aide de la CVMO.
- Ajustez doucement les plaques d'onde et le filtre birefringent pour maximiser le rapport signal-bruit, qui est la hauteur du pic primaire par rapport à l'arrière-plan.
REMARQUE : Le spectre RF de verrouillage du mode devrait être un pic unique sans lobes latéraux. Pour la meilleure qualité d'imagerie, le SNR devrait atteindre au moins 70 dB. Le spectre de l'OSA doit être soigneusement surveillé, en gardant une trace de la forme spectrale Batman, pour s'assurer que le laser reste verrouillé en mode.
- Déconnectez le câble BNC de la CVMO et connectez-le à l'analyseur de spectre RF.
- Suivez les instructions du fabricant pour aligner et utiliser l'autocorrélateur pour mesurer la durée de l'impulsion. La deuxième sortie du séparateur de faisceau extra-cavité peut être utilisée. Une fois que la durée de l'impulsion peut être mesurée, ajustez soigneusement l'étape translationnelle sur laquelle le temps est monté pour ajuster la distance entre les deux grilles pour régler la durée de l'impulsion.
REMARQUE: Pour faciliter l'alignement, il est préférable de monter miroir 'lt;M1 'gt; et 'lt;M2'gt; séparément des deux grilles et de l'étape translationnelle à laquelle ils sont montés. Notez également que les impulsions picoseconde sont observées comme un large piédestal avec une fonction centrale de pic d'impulsion fs pendant l'opération partiellement verrouillée par le mode17. - Augmentez graduellement la puissance de la pompe au-dessus de 0,5 W pour trouver la puissance maximale de la pompe. Des puissances allant jusqu'à 5W ont été testées. Utilisez la portée IR pour observer constamment la fibre active .lt;4 'gt;. Si un point lumineux apparaît, la puissance de la pompe est trop élevée dans la cavité, et il est susceptible de brûler la fibre active à ce niveau de la pompe.
REMARQUE : La puissance maximale du système dépend de la longueur de la fibre active et de l'alignement des composants de l'espace libre dans la cavité. Les protocoles décrits ici atteignent les puissances de sortie jusqu'à 1 W sans l'apparition de taches lumineuses ou de brûlures à la cavité, et cette puissance est plus que suffisante pour la plupart des applications d'imagerie. Des puissances de production plus élevées n'ont pas été testées, mais peuvent être possibles, bien que le multipulsage soit susceptible d'entraîner16,17,18.
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Representative Results
Il est essentiel de vérifier le fonctionnement verrouillé par mode à l'achèvement des procédures de fabrication de laser de fibre. Les signatures de la génération optimale d'impulsions fs et de la stabilité laser sont les suivantes : Premièrement, l'impulsion de sortie peut être suffisamment caractérisée par l'instrumentation décrite à l'étape 6. La sortie du spectre d'impulsionde de l'oscillateur laser doit être centrée près de 1 070 nm avec la forme caractéristique de l'oreille de chat ou de Batman qui indique le verrouillage du mode tel que prédit par la simulation numérique de la physique des impulsions ANDi15 (Figure 2A). Bien que le spectre caractéristique soit un excellent indicateur de cohérence d'impulsion, des essais supplémentaires sont justifiés pour assurer le verrouillage complet de mode, la stabilité, et les exécutions prévues de laser. Comme diagnostic supplémentaire pour le mode-verrouillage, la durée d'impulsion et les spectres de puissance de répétition d'impulsion sont mesurés utilisant l'autocorrelator et l'analyseur de spectre de RF, respectivement. Un seul pic sans piédestal est prévu pour les deux mesures pendant le fonctionnement verrouillé par le mode. Pendant les mesures d'autocorrélation, la paire de grille peut être réglée pour atteindre la compression d'impulsion. Des durées d'impulsion de 70 fs (pleine largeur-demi-maximum) ont été mesurées (figure 2B). Cette durée d'impulsion dechirped s'approche de la compression limitée estimée de transformation de la conception laser actuelle : la limite de transformation est calculer à l'aide du spectre d'impulsion mesuré. Deuxièmement, la stabilité des impulsions peut être testée en surveillant continuellement la puissance de sortie moyenne et le spectre des impulsions. La dérive de puissance est inférieure à 3,5% sur 24 h (Figure 2C) sans refroidissement actif lorsque la configuration laser est montée sur une table optique flottante avec amortissement des vibrations. Ce niveau de stabilité est suffisant pour de nombreuses expériences d'imagerie. Le système reste alors stable et auto-démarrage pendant plus d'une semaine lorsqu'il est éteint. Les composants de l'espace libre subissent une dérive mécanique et le verrouillage du mode est perdu après plusieurs semaines, mais le verrouillage du mode peut souvent être réobtenu par des ajustements mineurs des plaques d'onde comme indiqué à l'étape 6.
Une fois que le verrouillage du mode est vérifié, il est également important de tester les performances d'imagerie lors d'expériences pratiques de MPE et de microscopie non linéaire à l'aide d'échantillons simples de cibles de test et biologiques. Par exemple, la sortie laser à fibres personnalisées peut être dirigée vers un microscope à balayage laser commercial pour l'imagerie par excitation à deux photons (2PE) (figure 3A). Notez que l'isolateur extra-cavité, bien que perdant, est nécessaire pour empêcher les reflets du dos de l'optique de microscope d'entrer dans l'oscillateur laser. Ces réflexions arrière interrompent souvent le verrouillage du mode et la génération de signaux de fluorescence pendant l'imagerie. Ici, un essai a été effectué avec un microscope à balayage laser confocal commercial et un détecteur descanné avec un trou d'épingle réglé au réglage de taille maximale afin d'augmenter le signal de fluorescence collecté. Un simple échantillon d'essai pour la microscopie est la mesure d'une solution de colorant fluorescent. Une première expérience de microscopie suggérée consiste à mesurer le signal de colorant fluorescent lors des ajustements de la puissance d'impulsion à l'aide d'un ensemble de filtres à densité neutre. Cela permet de vérifier que le signal de fluorescence dépend quadratiquement de la puissance laser livrée à l'avion échantillonneur (Figure 3B), qui est la réponse attendue pour 2PE. Ensuite, des images de spécimens biologiques peuvent être recueillies à l'aide d'autofluorescence non linéaire des tissus 2PE, par exemple (voir Figure 3C, un échantillon de crevettes à saumure fixe non tachée) ainsi que de la deuxième génération harmonique (SHG) à partir de fibrilles de collagène et 2PE de taches fluorescentes extrinsèques (voir Figure 3D, un spécimen de tissu de poulet fraîchement excisé taché de rhodamine B). Comme vérification supplémentaire de 2PE, les images hyperspectrales 2PE recueillies des cibles d'essai fluorescentes multicolores de microsphère ont été comparées aux images hyperspectrales prises par excitation linéaire avec des lasers commerciaux de diode (figure 4). Les spectres d'excitation monophoton et de fluorescence 2PE ont été analysés et comparés pour deux des couleurs de microsphère correspondant à deux colorants fluorescents excités séparément par des lasers commerciaux et continus d'onde 514 nm et 594 nm. Les spectres de fluorescence excités par le laser sur mesure sont identiques aux spectres pris avec les lasers à ondes continues commerciales (excitation monophoton). Collectivement, ces résultats indiquent que le laser de fibre fs personnalisé génère des impulsions avec la puissance et l'uniformité suffisantes de crête pour produire la fluorescence 2PE et SHG.
Figure 1 : Schéma tique du laser à fibres personnaliséet et de la configuration de caractérisation des impulsions. Les lignes noires numérotées 1 et 2 indiquent la sortie laser de la pompe. Les lignes noires numérotées 3 à 7 indiquent les fibres intracavité avec la longueur de chaque fibre entre les points d'épissage indiqués en mètres. Les lignes noires non numérotées indiquent des fibres extra-cavité. Les marques de croix (x) indiquent des points d'épissage. Les lignes rouges sont des chemins lumineux de l'espace libre. L'épaisse ligne noire entre la CVMO et la photodiode (PD) indique un câble BNC. L'analyseur de spectre RF, qui prend la même position que la CVMO lorsqu'il est utilisé, n'est pas indiqué dans la figure parce que l'analyseur de spectre RF peut être échangé dans la configuration pour la CVMO à l'aide du connecteur BNC. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Les résultats de la caractérisation au laser. (A) Le spectre de l'impulsion de sortie de l'opération de verrouillage de mode par rapport à la simulation numérique. (B) Le signal d'autocorrélation d'intensité de l'impulsion dechirped comparé à la simulation numérique de la limite de transformation. (C) La puissance de sortie du laser lors de deux tests de stabilité de 24 h. (Adapté de Davoudzadeh et al.17) Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Résultats des tests de performance de la microscopie MPE. (A) Schématique du laser à fibres sur mesure avec sa sortie dirigée dans un microscope commercial confocal. (B) L'intrigue de log-log démontrant la dépendance quadratique du signal de fluorescence MPE en fonction de la puissance de sortie laser, mesurée à l'aide d'une solution de colorant fluorescent. (C) 2PE image d'autofluorescence d'un échantillon de crevettes saumurées non tachées et fixes à l'aide du laser à fibres fs personnalisé. (D) SHG (cyan) de fibrilles de collagène et de fluorescence 2PE (magenta) de cellules tachées de rhodamine B à partir d'un tissu de poulet fraîchement excisé à l'aide du laser à fibres fs personnalisé. Barres d'échelle de 50 m (Adapté de Davoudzadeh et al.17) S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Comparaison de la fluorescence 2PE à l'aide du laser à fibres fs personnalisé par rapport à l'excitation monophoton (1PE) à l'aide de lasers à diodes commerciales. (A) Une image multicanal 1PE de microbilles distinctes à l'aide de plusieurs lasers à diodes différents (gauche; longueurs d'onde 1PE sont répertoriées en nm.) Le profil d'intensité fluorescente des mêmes perles excité par un laser à diodes 514 nm (Middle) et par le laser à fibres fs personnalisé (droite). Barres d'échelle de 50 m . (B) Les spectres normalisés de perles vertes (gauche) et rouges (à droite) excitées par le laser à diodes par rapport au laser à fibres fs personnalisé. (Adapté de Davoudzadeh et al.17) Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Point d'épissage | Un | B | C | D |
| Indice de fibre gauche | 1 | 3 | 4 | 6 |
| Diamètre de revêtement L (m) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| Diamètre vêtu de L (m) | 125 | 130 | 125 | 125 |
| Diamètre du noyau L (m) | 105 | 5 | 6 | 6 |
| L MFD (m) | 105 | 4.8 | 7 | 6.2 |
| Index de fibre droite | 2 | 4 | 5 | 7 |
| Diamètre de revêtement R (m) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| Diamètre revêtu R (m) | 125 | 125 | 125 | 130 |
| Diamètre du noyau R (m) | 105 | 6 | 6 | 5 |
| R MFD (m) | 105 | 7 | 6.2 | 4.8 |
Tableau 1 : Un résumé des paramètres du point d'épissage de fibres laser de pompe (A) ainsi que des trois points d'épissage de fibres intracavités (B-D). Ici, la direction de la propagation de la lumière est de la fibre gauche à la fibre droite. L - fibre gauche dans l'articulation d'épissage ; R - fibre droite dans l'articulation d'épissage ; MFD - diamètre moyen du champ.
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Discussion
Les protocoles décrits ici synthétisent le savoir-faire et l'expertise qui ont été la pratique courante dans le laboratoire de physique laser pendant des décennies, mais qui est souvent inconnu de nombreux chercheurs biomédicaux. Ce travail tente de rendre cette technologie laser à fibre ultrarapide plus accessible à l'ensemble de la communauté. La conception laser en fibre ANDi est bien établie, comme d'abord développé dans les œuvres séminales par Wise et collègues3. Cependant, la mise en œuvre de cette technologie par d'autres groupes a parfois donné lieu à des rapports de lasers qui ne fonctionnent pas correctement, illustrant la nécessité d'éduquer davantage les chercheurs biomédicaux sur les aspects non négligeables de la caractérisation des impulsions et du fonctionnement verrouillé par le mode.
Notez que la fabrication et le fonctionnement personnalisés de laser ne conviennent généralement pas aux laboratoires peu familiers avec le fonctionnement et la sûreté de laser. La formation en sécurité au laser et la prise en compte des dangers sont essentielles avant de tenter la construction d'un laser de classe 4. Parce que le système laser est ouvert, il ya deux faisceaux de réflexion majeurs (provenant des grilles de compresseur et le PBS dans la cavité) et plusieurs réflexions mineures d'autres optiques qui doivent être bloqués. Les composants de l'espace libre doivent être fixés à une table optique stable afin de maintenir l'alignement. En revanche, les lasers commerciaux sont toujours fermés pour des raisons de sécurité et utilisent souvent des mécanismes d'auto-alignement, ce qui les rend plus faciles et plus sûrs à utiliser.
Comme mentionné, le laser personnalisé fs fibre présenté ici représente peut-être la meilleure performance qui peut être prévu pour un système facile à construire qui minimise les coûts matériels. La conception et la qualité des épissures est un facteur critique pour l'efficacité du laser, la facilité de fabrication et la robustesse pour brûler les dégâts ponctuels. Une épissure de faible qualité ne réduit pas seulement l'efficacité de la pompe, mais aussi générer de la chaleur pendant le fonctionnement et, par conséquent, endommager la cavité. Pour obtenir des épissures de haute qualité, il faut s'assurer que le couperet et l'épissage de fibres sont propres. Comme mentionné ci-dessus, les cotons-tiges imbibés d'alcool doivent être utilisés pour nettoyer toutes les surfaces de travail sur une base régulière. De plus, lorsqu'il y a de grands angles de ciseau, il est fortement conseillé de se récôter pour améliorer la qualité de l'épissage.
Une fois verrouillé en mode, le système est assez stable et reste auto-démarrage pendant une période de plus d'une semaine. En cas de perturbations accidentelles dans le système ou de dérive mécanique des composants de l'espace libre au fil du temps, le système perdra le verrouillage du mode, mais le laser de verrouillage du mode peut souvent être facilement récupéré en ajustant légèrement les plaques d'onde. Pour maintenir une sortie stable, le contrôle de la température de la fibre active est la clé. Par conséquent, le système est mieux utilisé dans une pièce climatisée avec un débit d'air minimal près de lui. Le système est relativement imperméable aux petites vibrations. En fait, l'effet des vibrations mécaniques ne peut pas être observé dans les domaines temporel et spectral si le système est mis sur une table optique passive amortie. Toucher les composants de fibre de l'oscillateur perturbera le mode-verrouillage, mais le verrouillage de mode est récupéré simplement en retournant la fibre à sa position approximative d'origine.
Enfin, le facteur de forme compacte des lasers à fibres fs est attrayant pour le développement de systèmes cliniques mobiles. (p. ex., systèmes mobiles à base de chariots). Bien que plus petit en taille par rapport à un laser à l'état solide, la conception laser en fibre personnalisée présentée ici contient plusieurs composants de l'espace libre qui nécessitent un alignement. Cela limite considérablement la mobilité du système. Il est possible de remplacer tous ces composants de l'espace libre par des analogues de composants en fibre. Les travaux futurs comprendront le développement de nouvelles conceptions laser entièrement fibres utilisant la fibre PM pour développer des systèmes qui sont robustes aux changements environnementaux.
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Disclosures
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
Acknowledgments
Nous remercions les Drs E. Cronin-Furman et M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) pour leur aide dans l'acquisition d'images. Ce travail a été soutenu par national Institutes of Health Grant K22CA181611 (à B.Q.S.) et la Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Prix de la famille Smith pour l'excellence en recherche biomédicale (à 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
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