Summary
En metode er presentert for å bygge en egendefinert lav pris, modus-låst femtosecond fiber laser for potensielle applikasjoner i multiphoton mikroskopi, endoskopi, og fotomedisin. Denne laseren er bygget ved hjelp av kommersielt tilgjengelige deler og grunnleggende skjøting teknikker.
Abstract
En protokoll er presentert for å bygge en egendefinert lav pris, men høy ytelse femtosecond (FS) fiber laser. Denne alt-normal-dispersjon (ANDi) ytterbium-dopet fiber laser er bygget helt ved hjelp av kommersielt tilgjengelige deler, inkludert $8 000 i fiberoptisk og pumpe laser komponenter, pluss $4 800 i standard optiske komponenter og ekstra hulrom tilbehør. Forskere nye til fiberoptisk enhet fabrikasjon kan også vurdere å investere i grunnleggende fiber skjøting og laser puls karakterisering utstyr (~ $63 000). Viktig for optimal laser drift, metoder for å verifisere sann kontra tilsynelatende (delvis eller støy-lignende) modus-låst ytelse presenteres. Dette systemet oppnår 70 FS puls varighet med et senter bølgelengde på ca 1 070 NM og en puls repetisjon rate på 31 MHz. Dette fiber laser viser topp ytelse som kan fås for en lett montert fiber lasersystem, som gjør dette designet ideelt for forskningslaboratorier satsing å utvikle kompakte og bærbare FS laser teknologier som muliggjør nye implementeringer av klinisk multiphoton mikroskopi og FS kirurgi.
Introduction
Solid State femtosecond (FS) pulserende lasere er mye brukt for mikroskopi og biologisk forskning. Et typisk eksempel er bruken av multiphoton eksitasjon (MPE) fluorescens mikroskopi, hvor høy topp effekt og lav gjennomsnittlig kraft er ønskelig å lette MPE prosessen samtidig minimere photoskade mekanismer. Mange høy ytelse Solid-State lasere er kommersielt tilgjengelig, og kombinert med en optisk parametrisk oscillator (OPO), kan laser bølgelengde stilles over et bredt spekter1. For eksempel kommersielle oscillator-OPO systemer generere < 120 FS puls varigheter (vanligvis med en 80 MHz puls repetisjon rate) og > 1 W gjennomsnittlig strøm fra 680 til 1 300 NM. Imidlertid er kostnaden av disse kommersielle tunable FS Laser systemer betydelig (> $200000), og Solid-State systemer generelt krever vannkjøling og er ikke bærbare for kliniske applikasjoner.
UltraShort pulserende fiber laser teknologi har modnet de siste årene. Kostnaden for en kommersiell FS pulserende fiber laser er vanligvis betydelig lavere enn solid-state lasere, men uten evne til bred bølgelengde tuning by av Solid-State systemer som er nevnt ovenfor. Merk at fiber lasere kan pares med OPOs når det er ønskelig (dvs. hybrid fiber-Solid-State systemer). Det store forholdet mellom overflate og volum av fiberlasersystemer muliggjør effektiv luftkjøling2. Derfor er fiber lasere mer bærbare enn solid state-systemer på grunn av sin relativt lille størrelse og forenklet kjølesystem. Videre, fusjon skjøting av fiber komponenter reduserer systemets kompleksitet og mekaniske drift i motsetning til fri-plass justering av de optiske komponentene som utgjør Solid-State enheter. Alle disse funksjonene gjør fiber lasere ideelle for kliniske applikasjoner. Faktisk, all-fiber lasere har blitt utviklet for lite vedlikehold drift3,4,5, og alle-polarisering-opprettholde (PM)-fiber lasere er stabile til miljømessige faktorer, inkludert endringer i temperatur og fuktighet, samt mekaniske vibrasjoner2,6,7,8.
Her er en metode presentert for å bygge en kostnadseffektiv FS pulserende ANDi fiber laser med kommersielt tilgjengelige deler og standard fiber skjøting teknikker. Metoder for å karakterisere pulsen repetisjon rate, varighet, og sammenheng (full modus-Lock) er også presentert. Den resulterende fiber laser genererer modus-låste pulser som kan komprimeres til 70 FS med en repetisjon rate på 31 MHz og en bølgelengde sentrert på 1 060 til 1 070 NM. Den maksimale utgangseffekten fra laserstrålen er ca. 1 W. Pulsen fysikk av ANDi fiber lasere elegant utnytter ikke-lineær polarisering evolusjon iboende til optisk fiber som en viktig del av nasyŝaemoe Absorber2,3,9,10,11. Men dette betyr at ANDi design er ikke lett implementeres ved hjelp av PM fiber (selv om en all-PM fiber gjennomføring av ANDi modus-låsing har blitt rapportert, men med lav effekt og PS puls varighet12). Derfor krever miljø stabilitet betydelig ingeniørkunst. Neste generasjons fiber laser design, slik som Mamyshev Oscillator, har potensial til å tilby komplett miljø stabilitet som all-PM-fiber enheter i stand til en størrelsesorden økning i intracavity puls energi, samt tilby betydelige reduksjoner i pulsen varighet for å aktivere programmer som er avhengige av bred puls Spectra13,14. Tilpasset fabrikasjon av disse innovative nye FS fiber laser design krever kunnskap og fiber skjøting erfaring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. skjøte single modus fibre (SMF)
Merk: del 1 består av generelle trinn for å skjøte SMFs. Dette er en ikke-essensielle, men anbefales, steg for å praktisere fiber skjøter bruker billig fiber. Dette trinnet sikrer riktig ytelse av skjøting utstyret før du bruker mer verdifulle fiberoptiske materialer.
- Cleave den første fiber.
- Strip ca 30 mm av fiber med en fiber stripping verktøy. For skjøre fibre (f. eks, doble kledd fibre), kan et barberblad brukes til å forsiktig skrelle av bufferen.
- Bruk lofri vev med etanol eller isopropanol å rengjøre strippet fiber. En summende lyd når tørke av fiber indikerer at fiber er tilstrekkelig ren.
- Plasser fiber holde ren på fiber Cleaver. Kontroller at bladet, fiber klemmen til cleaver og fiber holde ren er rene. Bomullspinner med alkohol kan brukes til å rengjøre disse delene av Cleaver.
- Forsiktig laste fiber i fiber holderen. La det være ca 25 mm strippet, rent fiber på den frie enden for cleaver å klemme.
- Lukk fiber klemmen forsiktig på Cleaver. For å unngå ekstra spenning påføres fiber, gjenåpne, og lukke klemmen slik at spenningen slippes.
- Trykk på "cut"-knappen og cleaver vil automatisk holde fiber.
Merk: for å sikre at fibrene forblir ren, bør ingenting berøre fiber spissen etter spalte. - Overfør fiber holde ren til Fusion-splicer. Bruk pinsett til å flytte stykket avskåret fra fiber til en skarpt avfallsbeholder.
FORSIKTIG: hard pinsett og skarp TWEEZER tips kan bryte fiber. En passende TWEEZER for håndtering av fiberoptikk bør ha plast, avrundede Tupper.
- Cleave den andre fiber.
- Gjenta trinn 1,1 på andre fiber med den andre fiber holde ren. De to fibrene skal skjøtes bør være kløyvde med kløyvde endene holdt motstridende hverandre av fiber holdere innenfor fiber splicer.
- Lukk dekselet på splicer.
- Fusjon til å skjøte fibrene.
- Sett opp parametrene på Fusion splicer, inkludert kjerne diameter, modus-felt diameter (MFD), og kledning diameter. Angi justeringsmetoden til kledning.
- Trykk på Start knappen, og splicer vil justeres automatisk.
Merk: det er mulig å få feilmeldinger om en dårlig Cleave form eller stor Cleave vinkel. Dette er vanligvis på grunn av en dårlig Cleave eller forurensning av fiber etter Cleave. Hvis dette skjer, gjentar du fiber spalte prosedyren. - Trykk på Start knappen ved hvert stopp for å bekrefte kvaliteten på skjøte. Den skjøte vil bli gjort automatisk.
- Sjekk kvaliteten på skjøte via kvalitetskontroll sjekker utført av splicer så vel som ved hjelp av kameravisning av skjøte regionen. En god skjøte har en ensartet kledning grense og jevn lysstyrke langs fiber slik at ingen skjøte tidspunktet er synlig.
Merk: fiber splicers ofte inkluderer optikk for å inspisere skjøte og for å anslå effekt tapet basert på den målte geometri, form og lysbrytning gjennom fiber ved hjelp av en kilde vinkelrett på fiber for å vise, bilde, og analysere skjøte joint. Selvfølgelig er dette bare et anslag, men det er tilstrekkelig i de fleste tilfeller. For identiske fibre, vil splicer anslå dette tapet som ~ 0 dB (dvs. ingen synlig tap). Fra tidligere resultater med ulike fiber skjøter beskrevet nedenfor, splicer estimater av makt tapene spenner fra 0,07 dB (skjøte punkter B og C, figur 1) til 0,3 DB (skjøte punkt D). Disse estimatene mest sannsynlig overvurdere tapet på grunn av feilaktige geometri og brytning av ulik fiberoptikk, som feilaktig vises som defekt objekter. - Åpne splicer dekselet, og deretter åpne en av fiber holdere. Den andre fiber holde ren bør ikke åpnes før skjøtes fiber er fjernet fra splicer.
- Som et alternativ, kan en fiber ermet legges for å beskytte skjøte. Ovnen på splicer kan brukes til å forme ermet på fiber. Alternativt kan en varmluftpistol brukes.
Merk: Hvis de to fibrene er svært lange eller festet til andre komponenter, bør ermet settes på en av fibrene før spalte, og deretter kan den flyttes til skjøting punktet. Den fiber ermet fungerer som en varme krympe rør i elektroniske kretser. Den kan brukes til å beskytte skjøting punktet fra en bøying eller trekke kraft. En fiber recoater kan brukes i stedet for å overmaling den skjøte punkt for maksimal beskyttelse av skjøte punktet til mekaniske skader, om enn på en betydelig ekstra kostnad fordi dette utstyret må kjøpes hvis det ikke er lett tilgjengelig.
2. Monter fiber delene
- Skjøte pumpen utgang fiber < 1 > med pumpen input < 2 > av pumpen signal combiner (se fiber laser diagram, figur 1).
- Følg § 1 for å holde fast og skjøte fibrene. Bruk standardinnstillingen av programmet BASIC I SP, med unntak av fiber parametrene (2-A og 2-B) som må input manuelt. De skjøting parametrene som må oppgis kan bli funnet i tabell 1.
- Skjøte den combiner utgang < 3 > til YB-dopet aktiv fiber.
- Følg trinn 1,1 å holde fast i combiner output fiber < 3 >.
- Cleave den aktive fiber < 4 >.
Merk: fordi den aktive fiber < 4 > har en åttekantet kledning, passer den ikke til V-Groove av fiber Cleaver. Derfor en enkel Cleave som beskrevet i trinn 1,1 vil gi en relativt stor Cleave vinkel. Således, de følgende trinnene skissere en spesiell protokoll for å oppnå en flat Cleave vinkel ved hjelp av samme utstyr.- Følg Seksjon 1 for å holde fast og skjøte den aktive fiber < 4 > og et stykke 6/125 SMF. Dette SMF fjernes senere og er ikke innlemmet i laseren. Derfor er det akseptabelt hvis kvaliteten på denne Cleave vinkelen er dårlig. Det er ikke viktig å få en flat Cleave vinkel for dette trinnet.
- Skjær SMF ca 2 cm fra skjøting punkt med en wire cutter.
- Strip hele lengden av SMF, og bånd den aktive fiber for en annen 0,5 cm. Nå aktive fiber er avkortet med 2 cm av bufferless SMF.
- Legg den aktive fiber inn i cleaver som i trinn 1.1.3-1.1.5. Kontroller at bare SMF, som har en sirkulær kledning, er klemt av fiber klemmen.
- Følg trinnene 1.1.6 og 1.1.7 å holde den aktive fiber < 4 >. Siden bare SMF er i V-Groove, vil denne Cleave gi en minimal Cleave vinkel.
- Følg trinn 1,3 for å skjøte fibrene.
- Grovt måle den totale utgangseffekten fra den utgående enden av den aktive fiber < 4 >.
- Skjær den aktive fiber < 4 > på ~ 3 m fra skjøte punkt < B >. Lengre aktiv fiber kan brukes til en høyere utgangseffekt, men repetisjonshastigheten vil bli redusert på grunn av økningen i hulrommet lengde.
- Cleave slutten < 4C > som nevnt i trinn 1,1.
Merk: fordi strøm målingen i neste trinn er anslått, er det unødvendig å bruke metoden nevnt i trinn 2.2.2. - Point fiber mot kraftmåleren og bringe fiber og kraftmåleren sammen uten fysisk kontakt.
Advarsel: putting tuppen av fiber for nær strømmåleren vil muligens skade strømmåleren sensor, som lysstyrken er konsentrert til et lite punkt på sensoren. For å unngå dette, bruk en minimum pålitelig pumpe effekt. - Les utgangseffekten fra strømmåleren. En stor (> 80%) effektivitets gjennomstrømming indikerer tilstrekkelig kvalitets skjøter på poeng < A > og < B >.
Merk: det er normalt å ha noe effekttap på grunn av absorpsjonen av den aktive fiber og på grunn av ineffektivitet av koplings metoden til kraftmåleren som nevnt i trinn 2.3.2 til 2.3.3.
- Skjøte den aktive fiber < 4 > til inngangen < 5 > av parallelliseringsoptikk < Kol1 >.
- Følg trinn 2.2.2 å holde den aktive fiber < 4 > på slutten < C > skal skjøtes til parallelliseringsoptikk.
- Skjær input < 5 > av parallelliseringsoptikk < Kol1 > til ca 40 cm.
Merk: lengden på passiv fiber (< 5 >) bør ikke være for lang (> 40 cm), fordi den forsterkede pulsen vil utvide betydelig i tiden og Spectral domenet på grunn av økt selv-fase modulering (SPM) og gruppe hastighet dispersjon (GVD) følgende passasje gjennom Gain fiber (puls forsterkning). Disse effektene vil øke vanskeligheten av puls komprimering. - Følg trinn 1,1 og 1,3 for å holde parallelliseringsoptikk input < 5 > og skjøte de aktive og parallelliseringsoptikk fibrene.
Merk: Dette skjøte < C > skjøte på en dobbel kledd fiber til en SMF kan synes å være av lavere kvalitet enn tidligere skjøter. Imidlertid avhenger den faktiske ytelsen bare på kjernen justeringen fordi pulsen sprer innenfor kjernen.
- Skjøte fiber < 6 > av den andre parallelliseringsoptikk < Kol2 > til signal input fiber < 7 > av combiner.
- Følg § 1 for å holde fast og skjøte fibrene.
3. Monter fiber delene til den optiske tabellen
- Monter pumpe laseren på det optiske bordet med skruer og alle nødvendige klemmer.
- Monter pumpe signal combiner til det optiske bordet med klemmer. Termisk pasta kan brukes mellom combiner og bordet, fordi den optiske tabellen fungerer som en varmeavleder for combiner.
- Plasser fibrene på bordet. Fibre 1, 2, 3, 5, 6 og 7 kan være krøllet individuelt for å spare plass, mens den aktive fiber 4 skal være enten rett eller spiral løst med en radius av krumning > 20 cm. la litt plass for å få tilgang skjøte < C > for neste trinn.
FORSIKTIG: en sterk sving i den aktive fiber kan føre til at pumpen signalet å unnslippe den indre kledning av den aktive fiber. Dette kan føre til dødelig brenne poeng langs den aktive fiber som vil kreve å installere en ny aktiv fiber. - Påfør indeksen matchende gel å skjøte < C >. Indeksen matchende gel brukes til å veilede pumpen lys ut av den aktive fiber for å redusere generering av varme og termisk skade på skjøte punkt. Merk at det ikke er nødvendig å overmaling fiber. Det er å foretrekke å forlate fiber nakne og belagt i indeksen matchende gel for å minimere risikoen for termisk skade.
- Bruk optomechanical deler for å montere og reparere de to collimators < Kol1 > og < Kol2 > på den optiske tabellen. Collimators skal vende mot hverandre med en separasjon på ca 35 cm for å gi tilstrekkelig plass til å sette inn i hulrom fri-plass komponenter.
4. Monter delene med ledig plass
- Slå på pumpe laseren. Sett makten til å 0,5 W (dvs. over terskelen for modus-låsing ennå en trygg kraft for å justere systemkomponenter).
Advarsel: på dette punktet må laboratorie rommet være av klasse IV laser sertifisert, laser vernebriller må bæres, og personellet må ha fått laser opplæring i klasse IV. - Bruk en infrarød (IR) omfang for å sjekke skjøte punktet < C >. Påfør indeksen matchende gel på alle lyspunkter sett gjennom IR omfang (indikasjon på potensielle punkter av termisk skade) for å hjelpelys flykte på disse risiko punktene.
- Juster plasseringen av de to collimators slik at de peker rett mot hverandre. Et IR visnings kort kan brukes til å hjelpe sentrert stråle justering ved parallelliseringsoptikk inngangs åpninger.
- Monter en polarisert stråle splitter (PBS) 6 cm unna < Kol1 >. Monter sensoren på en kraftmåler slik at kraften i den reflekterte laserstrålen kan måles kontinuerlig. Bølgelengden til kraftmåleren bør settes til 1 060 NM. En typisk Start makt lesing med 0,5 W pumpe strøm er ~ 50 mW før justering.
- Juster skruene på parallelliseringsoptikk mounts for å øke avlesningen av kraftmåleren. Fortsett å gjøre fine justeringer til utgangseffekten når en maksimumsverdi på ca 150 mW, noe som indikerer en utmerket justering.
Merk: dette trinnet krever forsiktig og pasient justering, som ofte er tidkrevende. Det er mest effektivt å følge en systematisk systematisk fremgangsmåte: Roter først de to skruene som justerer vinkelen i samme retning (X eller Y) på de to collimators, med en skrue som roterer veldig langsomt i én retning, mens den andre roterer raskt for å skanne alle fornuftige vinkler. Hold sporing av maksimal avlesning fra kraftmåleren. Når maksimal effekt er funnet, bytte til skruene, justere til en annen retning. Gjentagelse det langsom dreie og rask avsøke beskrevet over. På grunn av refleksjoner fra linsene inne i begge collimators, er det mulig å observere flere lokale Maxima mens samkjøre collimators. Den faktiske maksimale kraften er mye større (150 mW) sammenlignet med den lokale Maxima (70 til 80 mW). - Monter isolator 3 cm fra < Kol2 >. Juster collimators retning igjen for å justere komponentene med ledig plass og maksimere utgangseffekten. Tilstedeværelsen av isolator kan litt bøye strålen justeringen, men den maksimale utgangseffekten er gjenopprettet ved finjusteringer av collimators.
- Monter birefringent filter < BF >, en halv bølge plate < HWP > og to kvart bølge plater (< QWP1 > og < QWP2 >) til de tilsvarende posisjonene vist i figur 1. Birefringent filteret er klemt mellom to polarisatorer-en før (< PBS >) og en etter (i < ISO >)-for å opprette en sinusformet band-pass filter effekt. Det må være en liten (3 ° − 5 °) hendelses vinkel for < BF > for å kontrollere bølgelengdeområdet. Juster justeringen av collimators en gang til til utgangsstrømmen når en maksimumsverdi.
5. Sett opp ekstra hulrom komponenter
- Skjøte alle tre portene på splitteren (figur 1) med fiberoptikk kontakter (FC) eller subminiatyr versjon A (sma)-kontakter. Koblingstypene avhenger av inngangsportene på PHOTODIODE og den optiske spektrum analysator (OSA). Skjøte trinnene er identiske med de som er beskrevet i avsnitt 1 ovenfor.
- Koble én utgang av splitteren til PHOTODIODE inngangsport for OSA og den andre utgangen til PHOTODIODE ved hjelp av FC-kontakter.
- Forbinde det PHOTODIODE produksjon havn å det oscilloskop (OSC) med en bajonett Neill-Concelman (BNC) kabel.
- Koble parallelliseringsoptikk < Col3 > til inngangsporten på splitteren.
Merk: ved hjelp av kontakten for å koble splitter og < Col3 > er for enkelhets skyld. Denne tilkoblingen kan erstattes med en skjøte hvis ønskelig. - Fjern strømmåler sensoren.
- Monter det lille speilet < M1 > og den første kompressor risten < G1 > på det optiske bordet. For å oppnå maksimal effektivitet av kompressor rister, bruk kraftmåleren til å overvåke kraften i den første bestillingen maksimalt mens du justerer hendelses vinkelen ved å rotere risten.
Merk: en rotasjons fase kan brukes til å kontrollere rotasjonen nøyaktig. Som tap på grunn av hendelsen vinkel offset er liten, er rotasjons fasen ikke brukes her for å redusere kostnadene. - Monter den translational scenen på bordet. Monter den andre kompressor risten < G2 > på translational scenen. Avstanden mellom rister skal være ca. 2 cm for optimal kompresjon med finjustering ved hjelp av translational-stadiet. Kontroller at rister er parallelle.
- Monter kompressor speilet < m2 > på den optiske tabellen. Dette speilet bør være vertikal og vinkelrett på den bevegelige retningen av translational scenen.
- Monter resten av speilene, strålen splitter, og parallelliseringsoptikk < Col3 >. Justeringen vil bli justert senere.
- Slå på pumpe laseren. Juster pumpe nivået til mindre enn 0,5 W.
- Bruk en IR-område for å sjekke skjøte < C >. Legg indeksen matchende gel til noen lyse flekker.
Merk: trinn 5,11 bør gjøres regelmessig ved normal bruk av laseren. - Juster kompressoren.
- Bruk et IR-kort til å finne strålen, Juster plasseringen av < M1 >, og komprimerings rister slik at utgangs strålen passerer puls komprimerings delene i følgende sekvens: < M1 >, < G1 >, < G2 >, < m2 >, < G2 > , < G1 >, < M1 >.
- Vipp < m2 > opp litt for å heve den reflekterte strålen, slik at den passerer over puls velgeren speilet < M1 >.
Merk: < m2 > kan erstattes av en refleks slik at knertet speilet < M1 > ikke trenger å være vinklet. Det er den reflekterte strålen vil være parallell til hendelsen strålen, men fordrevne, ved hjelp av en retroreflektive speil for å forenkle oppsettet.
- Rett inn parallelliseringsoptikk med én utgangs stråle av stråle splitteren.
- Slå på OSA og sett enheten i strømmåler modus.
- Juster vinkelen på speilet < M3 > og parallelliseringsoptikk for å maksimere strøminntaket. Strøm avlesningen bør være over-10 dBm.
6. oppnå modus-låst ytelse med karakterisering av laser puls utgang
- Slå på OSC og sett instrumentet til VEKSELSTRØMS koplings modus med trigger nivået satt til 30 mV.
- Flytt OSA-PHOTODIODE input fiber til monokromatisk input. Sett enheten til OSA-modus.
- Lås laser fasen ved å justere bølge platene15.
- Roter < QWP2 > flere grader frem og tilbake. Den modus-låsing spektrum består grovt sett av to stabile topper med et platå mellom dem (dvs. en såkalt katt-øret eller Batman form). I mellomtiden kan et stabilt puls tog observeres på OSC.
- Hvis det ikke observeres modus lås ende spektrum, roterer du < QWP1 > flere grader i én retning og gjentar trinn 6.3.1.
- Hvis spekteret av modus låsing ikke kan observeres ved å gjenta 6.3.2, roterer du < BF > flere grader og gjentar trinn 6.3.2.
Merk: det finnes flere karakteristiske moduser av laser operasjonen som kan skilles ved å observere OSA: 1. en eller to smale (~ 1 NM) topper. Disse er forsterket spontane utslipp (ASE). 2. et bredt (~ 50 NM) støyende peak med ødelagte linjer vises tilfeldig. Dette er et delvis modus-Lock (PML) spektrum. I denne støy-lignende Pulsmodusen varierer intensiteten og varigheten til hver puls, noe som resulterer i dårlig bildekvalitet med mindre en integrerer puls svingninger over lengre piksel oppholds tider. 17 3. En ASE topp med en svært støyende bakgrunn bestående av mange lav amplitude topper. Dette er en ikke-modus-låst Q-switching-modus. Når du er i denne modusen, kan modus låsing ofte oppnås ved å rotere < QWP1 > over en liten vinkel. 4. Batman formet modus-låsing spektrum. "Ørene" har vanligvis forskjellige amplituder med et flatt spektrum mellom de skarpe kant funksjonene. Davoudzadeh et al. gi detaljerte målinger og illustrerende resultater for hver av disse driftsmodusene17.
- Tilegne seg og analysere radiofrekvens spekteret (RF).
- Koble BNC-kabelen fra OSC og koble den til RF spektrum analysator.
Merk: bruk av en BNC tee adapter anbefales ikke fordi bakken danner en lukket sløyfe, noe som induserer ekko i kretsen. RF spektrum analysator vises ikke i figur 1, fordi det tar samme posisjon som OSC når den er i bruk. - Følg veiledningen for RF-spektrum-analysator for å finne det primære spektrum-fjellet. Omtrentlig forventet frekvens kan beregnes basert på tiden mellom to pulser ved hjelp av OSC.
- Juster bølge platene og birefringent filteret for å maksimere signal-til-støy-forholdet, som er høyden på primær toppen i forhold til bakgrunnen.
Merk: modus-låsing RF spektrum bør være en enkelt topp uten side fliker. For best bildekvalitet bør SNR nå minst 70 dB. Spekteret på OSA bør overvåkes nøye, holde styr på Batman-Spectral form, for å sikre at laseren forblir modus-låst.
- Koble BNC-kabelen fra OSC og koble den til RF spektrum analysator.
- Følg instruksjonene fra produsenten for å justere og betjene autocorrelator for å måle pulsen. Den andre utgangen fra ekstra hulrom strålen splitter kan brukes. Når puls varigheten kan måles, må du nøye justere den translational scenen som < G2 > er montert for å justere avstanden mellom de to rister for å justere varigheten til pulsen.
Merk: for å lette justeringen, er det best å montere speil < M1 > og < m2 > separat fra de to rister og translational stadiet som de er montert. Vær også oppmerksom på at picosecond pulser er observert som en bred pidestall sammen med en sentral FS puls topp funksjon under delvis modus-låst drift17. - Øk pumpeeffekten gradvis over 0,5 W for å finne den maksimale pumpeeffekten. Krefter opptil ~ 5W er testet. Bruk IR-området til å hele tiden observere den aktive fiber < 4 >. Hvis en lys flekk vises, er pumpen makt for høyt i hulrom, og det er sannsynlig å brenne den aktive fiber på denne pumpen nivå.
Merk: maksimal effekt av systemet avhenger av lengden på den aktive fiber og justeringen av i hulrom fri-plass komponenter. Protokollene beskrevet her når output krefter opp til 1 W uten utseendet av lyse flekker eller brannskader i hulrom, og denne makten er mer enn tilstrekkelig for de fleste tenkelig programmer. Høyere utgangs krefter ble ikke testet, men kan være mulig, selv om multipulsing sannsynligvis vil resultere i16,17,18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det er avgjørende å verifisere modus-låst drift ved fullføring av fiber laser fabrikasjon prosedyrer. Signaturer av optimal og laser stabilitet FS puls er som følger: for det første kan utgangs pulsen være tilstrekkelig karakterisert av instrumentering som er skissert i trinn 6. Pulsen spekteret output fra laser oscillator bør være sentrert nær 1 070 NM med den karakteristiske Cat-Ear eller Batman form som indikerer modus-låsing som spådd av numerisk simulering av ANDi Pulse Physics15 (figur 2A). Selv om det karakteristiske spekteret er en utmerket indikator på puls sammenheng, er ytterligere tester garantert å sikre full modus-låsing, stabilitet, og den forventede laser ytelse. Som en ytterligere diagnostisk for modus-låsing, pulsen varighet og puls repetisjon kraft Spectra måles ved hjelp av autocorrelator og RF spektrum analysator, henholdsvis. En enkelt topp uten en pidestall forventes for begge målinger under modus-låst operasjon. I løpet av de autokorrelasjon målingene kan rist paret stilles inn for å oppnå puls komprimering. Puls varigheter på 70 FS (full-bredde-halv-maksimum) ble målt (figur 2B). Dette dechirped puls varighet tilnærminger anslått transformere begrenset komprimering av den nåværende laser design: transformasjonen grensen er beregnet ved hjelp av målt puls spekteret. For det andre kan puls stabiliteten testes ved å kontinuerlig overvåke den gjennomsnittlige utgangseffekten og puls spekteret. Strøm drift er mindre enn ± 3,5% over 24 h (figur 2C) uten aktiv kjøling når laser oppsettet er montert på et flytende optisk bord med vibrasjonsdemping. Dette stabilitetsnivået er tilstrekkelig for mange bilde eksperimenter. Systemet forblir stabilt og selv starter for mer enn en uke når drevet ned. Det ledig-mellomrom komponentene gjennomgå mekanisk drift og modus-låsen er tapt etter flere uker, men modus-låsing kan ofte bli re-innhentet av mindre justeringer av waveplates som beskrevet i trinn 6.
En gang måte-låste er bekreftet, det er en likeledes betydelig å test det tenkelig gjennomførelse i løpet av praktisk MPE og ikke-lineær mikroskopi eksperimenter benytter enkel test mål og Biological eksemplar. For eksempel kan den egendefinerte fiber laser utgangen rettes til et kommersielt laser skanne mikroskop for to-Foton eksitasjon (2PE) fluorescens Imaging (Figur 3a). Merk at ekstra hulrom isolator, men lossy, er nødvendig for å hindre tilbake refleksjoner fra mikroskop optikk fra å komme inn i laser oscillator. Disse tilbake refleksjoner ofte avbruddsmodus-låsing og fluorescens signal generering under Imaging. Her ble en test utført med et kommersielt konfokalmikroskopi laserskanning mikroskop og en descanned detektor med en pinhole satt til den maksimale størrelsesinnstillingen for å øke det innsamlede fluorescens signalet. En enkel test prøve for mikroskopi er måling av en fluorescerende fargestoff løsning. Et foreslått første mikroskopi eksperiment er å måle det fluorescerende fargestoff signalet under justeringer av puls strømmen ved hjelp av et sett med nøytrale tetthets filtre. Dette bidrar til å bekrefte at det fluorescens signalet er kvadratisk avhengig av laser strømmen som leveres til prøve Planet (Figur 3B), som er den forventede responsen for 2PE. Neste, bilder av biologiske prøver kan samles usingnonlinear 2PE vev autofluorescence, for eksempel (se Figur 3C, en unstained, fast saltlake reker prøve) samt andre harmonisk generasjon (SHG) fra kollagen fibrils og 2PE av ytre fluorescerende flekker (se Figur 3D, en fersk excised kylling vev prøven beiset med rhodamine B). Som en ekstra verifisering av 2PE, samlet 2PE hyperspektral bilder av flerfarget fluorescerende mikrosfære test mål ble sammenlignet med hyperspektral bilder tatt av lineære eksitasjon med kommersielle diode lasere (Figur 4). Singelen-Foton eksitasjon og 2PE fluorescens Spectra ble analysert og sammenlignet for to av de mikrosfære fargene tilsvarende to fluorescerende fargestoffer opphisset separat av kommersielle, kontinuerlig bølge 514 NM og 594 NM lasere. Fluorescens Spectra opphisset av skikken bygget laser er identiske med Spectra tatt med den kommersielle kontinuerlig bølge lasere (single-Foton eksitasjon). Kollektivt, disse resultatene tyder på at den tilpassede FS fiber laser genererer pulser med tilstrekkelig peak makt og ensartethet å generere 2PE fluorescens og SHG.
Figur 1: skjematisk av tilpasset fiber laser og puls karakterisering oppsett. De nummererte svarte linjene 1 og 2 angir pumpens laser utgang. De nummererte svarte linjene 3 − 7 indikerer intracavity fibre med lengden på hver fiber mellom skjøte punktene angitt i meter. Den unummererte godkjennelses svarte linjer indikerer ekstra hulrom fibre. Korset (x) markerer skjøte poeng. De røde linjene er fri plass lys stier. Den tykke, svarte linjen mellom OSC og PHOTODIODE (PD) indikerer en BNC-kabel. RF spektrum analysator, som tar samme posisjon som OSC når den brukes, vises ikke i figuren fordi RF spektrum analysator kan byttes inn i oppsettet for OSC ved hjelp av BNC-kontakten. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: resultatene av laser karakterisering. (A) spekteret av output pulsen fra modus-låsing drift sammenlignet med numerisk simulering. (B) intensiteten autokorrelasjon signalet for dechirped pulsen sammenlignet med numerisk simulering av transformerings grensen. (C) utgangseffekten til laseren under 2 24 stabilitetstester. (Tilpasset fra Davoudzadeh et. Al.17) Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: resultatene av MPE mikroskopi ytelsestester. (A) skjematisk av spesialbygd fiber laser med utgang rettet inn i et kommersielt konfokalmikroskopi mikroskop. (B) Logg-log plot demonstrere kvadratisk avhengighet av MPE fluorescens signalet som en funksjon av laser utgangseffekt, målt ved hjelp av en løsning av fluorescerende fargestoff. (C) 2PE autofluorescence bilde av en unstained og fast saltlake reker prøve å bruke den tilpassede FS fiber laser. (D) SHG (cyan) av kollagen FIBRILS og 2PE fluorescens (magenta) av rhodamine B-fargede celler fra en fersk excised kylling vev ved hjelp av tilpassede FS fiber laser. Skala bars = 50 μm. (tilpasset fra Davoudzadeh et. Al.17) Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: en sammenligning av 2PE fluorescens bruker tilpassede FS fiber laser versus single-Foton eksitasjon (1PE) ved hjelp av kommersielle diode lasere. (A) et flerkanals 1PE bilde av Spectrally distinkte mikroperler ved hjelp av flere forskjellige diode lasere (venstre; 1PE bølgelengder er listet opp i NM.) Den fluorescerende intensitet profil av de samme perlene opphisset av en 514 NM Diode Laser (midten) og av den tilpassede FS fiber laser (høyre). Skala bars = 50 μm. (B) normalisert Spectra grønn (venstre) og rød (høyre) perler opphisset av Diode Laser versus tilpasset FS fiber laser. (Tilpasset fra Davoudzadeh et. Al.17) Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Skjøting punkt | A | B | C | D |
| Venstre fiber indeks | 1 | 3 | 4 | 6 |
| L belegg diameter (μm) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| L kledd diameter (μm) | 125 | 130 | 125 | 125 |
| L kjerne diameter (μm) | 105 | 5 | 6 | 6 |
| L MFD (μm) | 105 | 4,8 | 7 | 6,2 |
| Høyre fiber indeks | 2 | 4 | 5 | 7 |
| Diameter R belegg (μm) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| R kledd diameter (μm) | 125 | 125 | 125 | 130 |
| R kjerne diameter (μm) | 105 | 6 | 6 | 5 |
| R MFD (μm) | 105 | 7 | 6,2 | 4,8 |
Tabell 1: en oppsummering av parametrene for pumpen laser fiber skjøte punkt (A) så vel som de tre intracavity fiber skjøte poeng (B-D). Her retning av lys forplantning er fra venstre fiber til høyre fiber. L = venstre fiber i skjøte joint; R = høyre fiber i skjøte joint; MFD = gjennomsnittlig felt diameter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollene skissert her syntetisere kunnskap og kompetanse som har vært vanlig praksis i laser fysikk laboratorium i flere ti år, men som er ofte ukjent for mange biomedisinsk forskere. Dette arbeidet forsøker å gjøre denne lynrask fiber laser teknologi mer tilgjengelig for det bredere samfunnet. Den ANDi fiber laser design er godt etablert, som først utviklet i banebrytende verker av Wise og kolleger3. Men implementeringer av denne teknologien av andre grupper har noen ganger resultert i rapporter om lasere som ikke fungerer riktig, illustrerer behovet for å ytterligere utdanne biomedisinsk forskere i triviell aspekter av pulsen karakterisering og modus-låst drift.
Merk at tilpasset laser fabrikasjon og drift er generelt ikke egnet for laboratorier ukjent med laser drift og sikkerhet. Laser sikkerhet opplæring og vurdering av farer er viktig før du prøver byggingen av en klasse 4 laser. Fordi Lasersystemet er åpent, er det to store refleksjon bjelker (kommer fra kompressoren rister og i hulrom PBS) og flere mindre refleksjoner fra andre optikk som må blokkeres. Komponentene med fri plass bør festes til en stabil, optisk tabell for å opprettholde justeringen. I kontrast, kommersielle lasere er alltid vedlagt for sikkerhet og ofte bruke auto-justering mekanismer, noe som gjør dem enklere og tryggere å operere.
Som nevnt, den tilpassede FS fiber laser presenteres her representerer kanskje den beste ytelsen som kan forventes for en lett konstruert system som minimerer materielle kostnader. Design og kvalitet på skjøter er en kritisk faktor for laser effektivitet, enkel fabrikasjon, og robusthet å brenne punkt skade. En lav kvalitet skjøte kan ikke bare redusere pumpens effekt effektivitet, men også generere varme under drift og dermed skade hulrom. For å oppnå høy kvalitet skjøter, må man sørge for at fiber cleaver og splicer er rene. Som nevnt ovenfor, bomullspinner fuktet med alkohol bør brukes til å rengjøre alle arbeidsflater på regelmessig basis. I tillegg, når store Cleave vinkler (> 0,3 °) oppstår, er det sterkt anbefalt å recleave å forbedre skjøte kvalitet.
Når modus-låst, er systemet ganske stabilt og forblir selv starter i løpet av en periode på mer enn en uke. I tilfelle utilsiktet forstyrrelser i systemet eller mekanisk drift av fri-plass komponenter over tid, vil systemet miste modus-låsing, men modus-låsing laser kan ofte bli lett gjenopprettes ved litt justering av bølge platene. For å opprettholde stabil utgang, temperaturkontroll av den aktive fiber er nøkkelen. Derfor er systemet best brukt i et luftkondisjonerte rom med minimal luftstrøm i nærheten av den. Systemet er relativt ugjennomtrengelig for små vibrasjoner. Faktisk kan effekten av mekaniske vibrasjoner ikke observeres i både timelige og Spectral domener hvis systemet er satt på en passiv dempet optisk bord. Berøre fiber komponenter av oscillator vil forurolige modus-Lock, men modus-låsing gjenopprettes bare ved å returnere fiber tilbake til sin omtrentlige opprinnelige posisjon.
Endelig er den kompakte formfaktoren for FS fiber lasere attraktiv for utvikling av mobile kliniske systemer. (f.eks. mobile Cart-baserte systemer). Mens mindre i størrelse i forhold til en solid-state laser, tilpasset fiber laser design som presenteres her inneholder flere ledig-plass komponenter som krever justering. Dette begrenser mobiliteten i systemet betraktelig. Det er mulig å erstatte alle disse fri-plass komponenter med fiber komponent analogs. Fremtidig arbeid vil omfatte utvikling av nye all-fiber laser design ved hjelp av PM fiber å utvikle systemer som er robuste til miljømessige endringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.
Acknowledgments
Vi takker DRS. E. Cronin-Furman og M. Weitzman (Olympus Corporation i Americas Scientific Solutions Group) for hjelp i å anskaffe bilder. Dette arbeidet ble støttet av National Institutes of Health Grant K22CA181611 (til B.Q.S.) og Richard og Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award for excellence i biomedisinsk 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).
