בעלות נמוכה ייצור מותאם אישית ומצב-הפעלה נעולה של כל נורמלי-נפיצה לייזר סיבים שנייה עבור מיקרוסקופ רב פוטון
Summary
שיטה מוצגת כדי לבנות מותאם אישית בעלות נמוכה, מצב נעול לייזר סיבים השני ליישומים פוטנציאליים מיקרוסקופ multiphoton, אנדוסקופיה, ו photomedicine. לייזר זה בנוי באמצעות חלקים זמינים מסחרית וטכניקות שחבור בסיסיות.
Abstract
פרוטוקול מוצג כדי לבנות לייזר סיבים מותאמים אישית בעלות נמוכה אך ביצועים גבוהים (fs). זה כל-כך נורמלי פיזור (אנדי) הלייזר סיבים מסומם בנוי לחלוטין באמצעות חלקים זמינים מסחרית, כולל $8,000 ב סיבים אופטיים ומשאבה רכיבי לייזר, בתוספת $4,800 ברכיבים אופטיים סטנדרטיים ואביזרים החלל הנוסף. חוקרים חדשים לייצור סיבים אופטיים המכשיר עשוי גם לשקול השקעה סיבים בסיסיים שחבור ומכשור לייזר לאפיון הדופק (~ $63,000). חשוב לפעולת לייזר אופטימלית, שיטות לאימות true לעומת ביצועים (באופן חלקי או רעש) מוצגים. מערכת זו משיגה 70 fs משך הדופק עם אורך הגל של כ 1,070 ננומטר ושיעור החזרה פולס של 31 MHz. זה לייזר סיבים מציג את ביצועי השיא שניתן לקבל עבור מערכת בקלות התאספו לייזר סיבים, מה שהופך את העיצוב הזה אידיאלי עבור מעבדות מחקר במטרה לפתח טכנולוגיות לייזר קומפקטי ונייד fs המאפשרים יישומים חדשים של מיקרוסקופ רב-פוטון קליני וכירורגיה.
Introduction
מוצק המצב לייזר (fs) פעמו לייזרים משמשים רבות עבור מיקרוסקופ ומחקר ביולוגי. דוגמה אחת טיפוסית היא השימוש של עירור הפוטון (MPE) מיקרוסקופ הקרינה הפלואורסצנטית, שם גבוה כוח שיא הכוח הממוצע נמוך הם רוצים להקל על תהליך MPE תוך צמצום מנגנוני פוטונזק. לייזרים רבים בעלי ביצועים גבוהים למצב מוצק הם זמינים מסחרית, ובשילוב עם מתנד פרמטרית אופטי (פופו), אורך הגל לייזר יכול להיות מכוון על מגוון רחב1. לדוגמה, מערכות מתנד מסחרי-פופו לייצר 1 W כוח ממוצע מ 680 ל 1,300 nm. עם זאת, את העלות של אלה מערכות לייזר מסחריות האלה מאוד משמעותי (> $200000), ומערכות מוצק המדינה דורשים בדרך כלל קירור מים אינם ניידים עבור יישומים קליניים.
טכנולוגיית לייזר סיבים פעמו הרבה יותר התבגר בשנים האחרונות. העלות של fs מסחרי פעמו לייזר סיבים הוא בדרך כלל נמוך באופן משמעותי מאשר לייזרים מוצק, אם כי ללא יכולת של כוונון רחב אורך הגל המוענקת על ידי מערכות מוצק המדינה שהוזכרו לעיל. שים לב כי לייזרים סיבים ניתן לזווג עם OPOs כאשר הרצוי (כלומר, סיבים היברידית מערכות מוצק-מצב). היחס הגדול משטח לנפח של מערכות לייזר סיבים מאפשר קירור אוויר יעיל2. מכאן, לייזרים סיבים ניידים יותר מאשר מערכות מוצק מדינה בשל גודלם הקטן יחסית ומערכת קירור פשוטה. עוד, שחבור היתוך של רכיבי סיבים מפחית את מורכבות המערכת ואת הסחף מכני בניגוד ליישור שטח חופשי של רכיבים אופטיים המרכיבים מכשירים מוצק. כל התכונות האלה להפוך לייזרים סיבים אידיאלי עבור יישומים קליניים. למעשה, לייזרים כל סיבים פותחו לפעולה תחזוקה נמוכה3,4,5, ו-polarization כל שמירה (PM)-לייזרים סיבים יציבים גורמים סביבתיים כולל שינויים טמפרטורה ולחות, כמו גם תנודותמכני 2,6,7,8.
כאן, שיטה מוצגת כדי לבנות לייזר בעלות חסכונית הלייזר אנדי עם חלקים זמינים מסחרית וטכניקות החדרת סיבים סטנדרטיים. שיטות לאפיון שיעור החזרה על הדופק, משך, וקוהרנטיות (מצב מלא-lock) מוצגים גם. לייזר סיבים כתוצאה מכך מייצרת פולסים נעולים מצב שניתן לדחוס 70 fs עם קצב החזרה של 31 MHz ו אורך הגל ממורכז ב 1,060 ל 1,070 nm. תפוקת הכוח המקסימלית מחלל הלייזר היא כ 1 W. הדופק פיזיקה של אנדי סיבים לייזרים באלגנטיות משתמשת האבולוציה לינארית הפולני מהותי סיבים אופטיים כרכיב מפתח של הבולם שניתן לשוללים2,3,9,10,11. עם זאת, משמעות הדבר היא שהעיצוב של אנדי אינו מיושם בקלות באמצעות סיבים מסוג PM (למרות שיישום ה-i-PM של הנעילה של המצב של אנדי מדווח, אם כי בעוצמה נמוכה ו-ps משך הפעימה12). לכן, יציבות סביבתית דורשת הנדסה משמעותית. הדור הבא עיצובים לייזר סיבים, כגון מתנד mamyshev יש את הפוטנציאל להציע יציבות סביבתית מלאה כמו כל-PM-סיבים התקנים מסוגל להגדיל את סדר הגודל של אנרגיית הדופק התאיים כמו גם הצעת ירידה משמעותית במשך הדופק כדי לאפשר יישומים המסתמכים על הדופק ספקטרום רחב13,14. הייצור המותאם אישית של עיצובים אלה חדשניים לייזר סיבים חדשים דורש ידע כיצד ושחבור סיבים ניסיון.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקולים המפורטים כאן לסנתז ידע ומומחיות שהיו מנהג נפוץ במעבדה לייזר פיסיקה במשך עשורים, אבל אשר מוכר לעתים קרובות לחוקרים ביו-רפואיים רבים. עבודה זו מנסה להפוך את טכנולוגיית לייזר סיבים מהירה יותר נגיש יותר לקהילה הרחבה. עיצוב לייזר הסיבים אנדי הוא מבוסס היטב, כפי שפותחה לראשונה בעבו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לד”ר א. קרונין-פורמן ו-מ. וייצמן (תאגיד האולימפוס של קבוצת הפתרונות המדעיים של אמריקה) לסיוע ברכישת תמונות. עבודה זו נתמכת על ידי המכונים הלאומיים של מלגת הבריאות K22CA181611 (to B.Q.S.) והקרן למשפחות ריצ’ארד וסוזן סמית ‘ (ניוטון, M.A.) פרס משפחת סמית ‘ למצוינות במחקר ביו-רפואי (לB.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).
