Summary
En metod presenteras för att bygga en anpassad låg kostnad, mode-låst femtosecondlaser fiber laser för potentiella tillämpningar i multiphoton mikroskopi, endoskopi, och photomedicine. Denna laser är byggd med kommersiellt tillgängliga delar och grundläggande skarvning tekniker.
Abstract
Ett protokoll presenteras för att bygga en anpassad låg kostnad ännu högpresterande femtosecondlaser (FS) fiber laser. Denna all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser byggs helt med kommersiellt tillgängliga delar, inklusive $8 000 i fiberoptik och pump laserkomponenter, plus $4 800 i standard optiska komponenter och extra-hålrum tillbehör. Forskare nya till fiberoptisk enhet tillverkning kan också överväga att investera i grundläggande fiber skarvning och laserpuls karakteriseringsutrustning (~ $63 000). Viktigt för optimal laser drift, metoder för att kontrollera sann kontra uppenbar (partiell eller brusliknande) läge-låst prestanda presenteras. Detta system uppnår 70 FS puls varaktighet med en mittvåglängd på cirka 1 070 nm och en pulsrepetitionsfrekvens på 31 MHz. Denna fiber laser uppvisar Peak Performance som kan erhållas för en lätt sammansatt fiber lasersystem, vilket gör denna design idealisk för forskningslaboratorier som syftar till att utveckla kompakta och bärbara FS laserteknik som möjliggör nya implementeringar av klinisk multiphotonmikroskopi och FS-kirurgi.
Introduction
Solid State femtosecondlaser (FS) pulsade lasrar används ofta för mikroskopi och biologisk forskning. Ett typiskt exempel är användningen av multifotonexcitation (MPE) fluorescens Microscopy, där hög toppeffekt och låg genomsnittlig effekt önskas för att underlätta den största tillåtna fel-processen och samtidigt minimera photodamage mekanismer. Många högpresterande solid-state lasrar är kommersiellt tillgängliga, och i kombination med en optisk parametriska oscillator (OPO), laser våglängd kan stämmas över ett brett spektrum1. Till exempel, kommersiella oscillator-OPO system generera < 120 FS puls varaktigheter (vanligtvis med en 80 MHz puls repetitionshastighet) och > 1 W genomsnittlig effekt från 680 till 1 300 nm. Men kostnaden för dessa kommersiella avstämbara FS lasersystem är betydande (> $200000), och solid-state system kräver i allmänhet vattenkylning och är inte portabla för kliniska tillämpningar.
Ultrashort pulsad fiberlaserteknik har mognat under de senaste åren. Kostnaden för en kommersiell FS pulsad fiber laser är typiskt betydligt lägre än solid-state lasrar, om än utan förmåga att breda våglängd tuning ges av Solid-State system som nämns ovan. Observera att fiber lasrar kan paras ihop med OPOs när så önskas (dvs hybrid fiber-Solid-State system). Det stora förhållandet mellan yta och volym på fiber lasersystem möjliggör effektiv luftkylning2. Därför är fiber lasrar mer portabla än Solid-State-system på grund av deras relativt liten storlek och förenklad kylsystem. Vidare, fusion skarvning av fiber komponenter minskar systemets komplexitet och mekanisk drift i motsats till fri-Space justering av de optiska komponenter som utgör solid state-enheter. Alla dessa funktioner gör fiber lasrar idealiska för kliniska tillämpningar. I själva verket, all-fiber lasrar har utvecklats för lågt underhåll operation3,4,5, och all-polarisering-underhålla (PM)-fiber lasrar är stabila på miljömässiga faktorer, inklusive förändringar i temperatur och luftfuktighet samt mekaniska vibrationer2,6,7,8.
Här presenteras en metod för att bygga en kostnadseffektiv FS pulsad ANDi fiber laser med kommersiellt tillgängliga delar och standard fiber skarvning tekniker. Metoder för att karakterisera puls repetitionshastighet, varaktighet och samstämmighet (full mode-lock) presenteras också. Den resulterande fiber laser genererar mode-låsta pulser som kan komprimeras till 70 FS med en repetitionsfrekvens på 31 MHz och en våglängd centrerad på 1 060 till 1 070 nm. Den maximala uteffekten från laser hålet är ca 1 W. Pulsen fysik ANDi fiber lasrar elegant utnyttjar ickelinjär polarisering evolution inneboende till optisk fiber som en viktig del av den mättbara absorbator2,3,9,10,11. Detta innebär dock att ANDi designen inte är lätt att genomföra med hjälp av PM fiber (även om en all-PM fiber genomförandet av ANDi läge-låsning har rapporterats, om än med låg effekt och PS Pulse varaktighet12). Därför kräver miljö stabilitet betydande ingenjörskonst. Nästa generations fiber laser konstruktioner, såsom mamyshev oscillator, har potential att erbjuda fullständig miljö stabilitet som all-PM-fiber enheter som kan en storleksordning ökning av intracavity pulsenergi samt erbjuder betydande minskningar i puls varaktighet för att möjliggöra program som förlitar sig på bred puls Spectra13,14. Custom Fabrication av dessa innovativa nya FS fiber laser design kräver know-how och fiber skarvning erfarenhet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. splice single mode fibrer (SMF)
Anmärkning: avsnitt 1 består av allmänna steg för att splice SMFs. Detta är en icke-väsentliga, men rekommenderas, steg för att öva fiber skarvar med billig fiber. Detta steg säkerställer korrekt prestanda för skarvning utrustningen innan du använder mer värdefulla fiberoptiska material.
- Klyva den första fibern.
- Remsa ca 30 mm av fibern med en fiber strippning verktyg. För ömtåliga fibrer (t. ex. dubbelpläterade fibrer), kan ett rakblad användas för att försiktigt dra av bufferten.
- Använd luddfri vävnad med etanol eller isopropanol för att rengöra den avskalade fibern. Ett surrande ljud när du torkar fibern indikerar att fibern är tillräckligt ren.
- Placera fiber hållaren på fiber Cleaver. Se till att bladet, fiber klämman av Cleaver, och fiber hållaren är alla rena. Bomullsvabb med alkohol kan användas för att rengöra dessa delar av köttyxa.
- Försiktigt in fibern i fiber hållaren. Lämna cirka 25 mm avskalade, ren fiber på den fria änden för Cleaver att klämma.
- Försiktigt stänga fiber klämman på Cleaver. För att undvika extra spänning appliceras på fiber, öppna igen, och Stäng klämman så att spänningen släpps.
- Tryck på "cut"-knappen och Cleaver kommer automatiskt klyva fibern.
Anmärkning: för att säkerställa att fiber förblir ren, ingenting bör röra fiber spetsen efter klyva. - Överför fiber hållaren till Fusion Splicer. Använd pincett för att flytta bit avskurna från fiber till en kli kassering container.
Varning: hård pincett och vassa pincett tips kan bryta fibern. En lämplig pincett för hantering fiberoptik bör ha plast, rundade spetsar.
- Klyva den andra fibern.
- Upprepa steg 1,1 på den andra fibern med den andra fiber hållaren. De två fibrerna som skall skarvas bör klyvas med klyvs ändarna hålls motsatta varandra av fiber innehavarna inom fiber Splicer.
- Stäng locket på Splicer.
- Fusion skarvar fibrerna.
- Ställ in parametrarna på fusion Splicer, inklusive kärn diametern, mode fälts diametern (MFD) och beklädningsdiametern. Ställ in justeringsmetoden på cladding.
- Tryck på Start-knappen, så kommer Splicer att justeras automatiskt.
Obs: det är möjligt att få felmeddelanden om en dålig klyva form eller stor klyva vinkel. Detta beror oftast på en dålig klyva eller förorening av fibern efter klyva. Om detta inträffar, upprepa fiber klyva förfarandet. - Tryck på Start-knappen vid varje stopp för att bekräfta kvaliteten på splitten. Skarvar kommer att ske automatiskt.
- Kontrollera kvaliteten på skarvar via kvalitetskontroll kontroller som utförs av Splicer samt genom att använda kameravyn av splice regionen. En bra skarvar har en enhetlig beklädnad gräns och enhetlig ljusstyrka längs fiber så att ingen skarvar är synlig.
Anmärkning: fiber Splicers innehåller ofta optik för att inspektera skarven och för att uppskatta effektförlusten baserat på den uppmätta geometri, form och ljus refraktion genom fiber med hjälp av en källa vinkelrätt mot fiber för att visa, bild, och analysera skarv gemensamma. Naturligtvis är detta bara en uppskattning, men det är tillräckligt i de flesta fall. För identiska fibrer, den Splicer kommer att uppskatta denna förlust som ~ 0 dB (dvs., ingen detekterbar förlust). Från tidigare resultat med de olika fiber skarvar som beskrivs nedan, den Splicer uppskattningar av effektförluster varierar från 0,07 dB (splice punkterna B och C, figur 1) till 0,3 dB (splice punkt D). Dessa uppskattningar överskattar troligen förlusten på grund av felaktig geometri och refraktion av den olikformiga fiberoptiken, som falskt visas som defekt objekt. - Öppna Splicer-luckan och öppna sedan en av fiber hållarna. Den andra fiber hållaren bör inte öppnas förrän skarvade fiber avlägsnas från Splicer.
- Som ett alternativ kan en fiber hylsa läggas till för att skydda skarvar. Aggregatet på Splicer kan användas för att forma hylsan på fibern. Alternativt kan en varmluftspistol användas.
Obs: om de två fibrerna är mycket långa eller knutna till andra komponenter, bör hylsan sättas på en av fibrerna innan klyvning, och sedan kan flyttas till skarvar punkt. Fiber hylsan fungerar som en krympslang i elektroniska kretsar. Den kan användas för att skydda skarvning punkt från en bockning eller dragkraft. En fiber recoater kan användas i stället för att övermålning skarvar punkten för maximal skydd av skarvar punkt till mekaniska skador, om än till en betydande extra kostnad eftersom denna utrustning måste köpas om det inte är lätt tillgänglig.
2. Montera fiber delarna
- Skarvar pumpens utgångs fiber < 1 > med pumpens ingång < 2 > av pumpens signal Combiner (se fiber laser diagrammet, figur 1).
- Följ avsnitt 1 för att klyva och splice fibrerna. Använd standardinställningen för programmet BASIC I SP, med undantag för fiber parametrarna (2-A och 2-B) som måste matas in manuellt. De skarvning parametrar som måste anges kan hittas i tabell 1.
- Skarva Combiner utgång < 3 > till YB-doped aktiv fiber.
- Följ steg 1,1 för att klyva Combiner utgång fiber < 3 >.
- Klyva den aktiva fiber < 4 >.
Obs: eftersom den aktiva fiber < 4 > har en åttkantig beklädnad, det passar inte på V-spåret av fiber Cleaver. Därför kommer en enkel klyva som beskrivs i steg 1,1 ger en relativt stor klyva vinkel. Sålunda, följande steg skissera ett särskilt protokoll för att uppnå en platt klyva vinkel med samma utrustning.- Följ avsnitt 1 för att klyva och splice den aktiva fiber < 4 > och en bit av 6/125 SMF. Denna SMF avlägsnas senare och är inte införlivas i lasern. Därför är det acceptabelt om kvaliteten på denna klyva vinkeln är dålig. Det är inte viktigt att få en platt klyva vinkel för detta steg.
- Skär SMF ca 2 cm från skarvning punkt med en tråd fräs.
- Remsa hela längden av SMF, och remsor den aktiva fiber för en annan 0,5 cm. Nu är den aktiva fibern utjämnade med 2 cm bufferless SMF.
- Ladda den aktiva fibern i Cleaver som i steg 1.1.3-1.1.5. Se bara SMF, som har en cirkulär beklädnad, är fastklämd av fiber klämman.
- Följ stegen 1.1.6 och 1.1.7 för att klyva den aktiva fiber < 4 >. Eftersom endast SMF är i V-spåret, kommer denna klyva ger en minimal klyvvinkel.
- Följ steg 1,3 för att splice fibrerna.
- Ungefär mäta den totala uteffekten från den distala änden av den aktiva fiber < 4 >.
- Skär den aktiva fiber < 4 > på ~ 3 m från splice Point < B >. Längre aktiv fiber kan användas för en högre uteffekt, men repetitionshastigheten kommer att minskas på grund av ökningen av kaviteten längd.
- Klyva slutet < 4C > som nämns i steg 1,1.
Anmärkning: eftersom effektmätningen i nästa steg uppskattas, är det onödigt att använda den metod som nämns i steg 2.2.2. - Rikta fibern mot kraftmätaren och ta med fiber och kraftmätaren tillsammans utan fysisk kontakt.
Varning: att sätta spetsen på fibern för nära kraftmätaren kommer möjligen skada effektmätaren sensorn, eftersom ljusstyrkan koncentreras till en liten punkt på sensorn. För att undvika detta, Använd en minimal tillförlitlig pumpeffekt. - Läs av uteffekten från kraftmätaren. En stor (> 80%) effektivitet genomströmning indikerar tillräckligt kvalitet skarvar vid punkter < en > och < B >.
Anmärkning: det är normalt att ha en viss effektförlust på grund av absorptionen av den aktiva fiber och på grund av ineffektivitet av kopplings metoden till kraftmätaren som nämns i steg 2.3.2 till 2.3.3.
- Skarvar den aktiva fiber < 4 > till ingången < 5 > av kollimator < Kol1 >.
- Följ steg 2.2.2 för att klyva den aktiva fiber < 4 > på slutet < C > att skarvas till Collimator.
- Skär ingångs < 5 > av kollimator < Kol1 > till ca 40 cm.
Obs: längden på den passiva fiber (< 5 >) bör inte vara för lång (> 40 cm), eftersom den förstärkta pulsen kommer att bredda avsevärt i tiden och spektralområdet på grund av ökad själv fas modulering (SPM) och grupp hastighet dispersion (GVD) efter passage genom Gain fiber (Pulse amplifiering). Dessa effekter kommer att öka svårigheten att puls komprimering. - Följ steg 1,1 och 1,3 för att klyva kollimator-ingången < 5 > och splice de aktiva och kollimator fibrerna.
Obs: denna skarvar < C > skarvar av en dubbel klädd fiber till en SMF kan tyckas vara av lägre kvalitet än de tidigare splitten. Den faktiska prestandan beror dock bara på kärn justeringen eftersom pulsen sprids inom kärnan.
- Skarvar fiber < 6 > av den andra kollimator < Col2 > till signalen input fiber < 7 > av Combiner.
- Följ avsnitt 1 för att klyva och splice fibrerna.
3. Montera fiber delarna i det optiska bordet
- Montera pump lasern till det optiska bordet med skruvar och eventuella nödvändiga klämmor.
- Montera pump signalen Combiner till den optiska tabellen med klämmor. Termisk pasta kan användas mellan Combiner och tabellen, eftersom den optiska tabellen fungerar som en kylfläns för Combiner.
- Placera fibrerna på bordet. Fibrer 1, 2, 3, 5, 6 och 7 kan ringlas individuellt för att spara utrymme, medan den aktiva fiber 4 bör antingen raka eller lindade löst med en radie av krökning > 20 cm. lämna lite utrymme för att komma åt splice < C > för nästa steg.
Varning: en stark böj i den aktiva fibern kan orsaka pump signalen att undkomma inre beklädnad av den aktiva fiber. Detta kan leda till dödliga brännpunkter längs den aktiva fiber som kommer att kräva att installera en ny aktiv fiber. - Applicera index matchande gel för att splice < C >. Indexet matchande gel används för att vägleda pumpen ljuset ur den aktiva fiber för att minska uppkomsten av värme och termisk skada vid skarvar punkt. Observera att det inte finns något behov av att övermålning fibern. Det är bättre att lämna fibern nakna och belagda i index matchande gel för att minimera risken för termisk skada.
- Använd optomechanical delar för att montera och fixa de två kollimatorer < Kol1 > och < Col2 > på den optiska tabellen. Kollimatorer bör möta varandra med en separation av cirka 35 cm för att ge tillräckligt med utrymme för att sätta in hålrummet fritt utrymme komponenter.
4. Montera fritt utrymme delar
- Slå på pump lasern. Ställ in strömmen till 0,5 W (dvs ovanför tröskeln för läges låsning ännu en säker ström för att justera system komponenter).
Varning: vid denna punkt, laboratorie utrymme måste vara klass IV laser certifierad, laser skyddsglasögon måste bäras, och personalen måste ha fått klass IV laser utbildning. - Använd ett infrarött (IR) omfång för att kontrollera splice Point < C >. Applicera index matchande gel på några ljusa fläckar ses genom IR-scope (indikation på potentiella punkter av termisk skada) för att hjälpa ljus fly vid dessa risk punkter.
- Justera positionen för de två kollimatorerna så att de pekar direkt mot varandra. Ett IR-tittande kort kan användas för att bistå centrerad balk justering vid kollimator ingången öppningar.
- Montera en polariserande balk splitter (PBS) 6 cm bort från < Kol1 >. Montera sensorn på en kraftmätare så att kraften i den reflekterade laserstrålen kan mätas kontinuerligt. Våglängden för kraftmätaren bör ställas in på 1 060 nm. En typisk starteffekt avläsning med 0,5 W pumpeffekt är ~ 50 mW före justeringen.
- Justera skruvarna på kollimator fästen för att öka läsningen av kraftmätaren. Fortsätt att göra fina justeringar tills uteffekten når ett maximalt värde på ca 150 mW, vilket indikerar en utmärkt justering.
Obs: detta steg kräver noggrann och patient justering, vilket ofta är tidskrävande. Det är mest effektivt att följa en systematisk systematisk procedur: rotera först de två skruvarna som justerar vinkeln i samma riktning (X eller Y) på de två kollimatorer, med en skruv roterande mycket långsamt i en riktning medan den andra roterar snabbt för att skanna alla rimliga vinklar. Håll koll på maximal avläsning från kraftmätaren. När maximal effekt har hittats, växla till skruvarna, justera till en annan riktning. Upprepa den långsamma rotera och snabb skanning som beskrivs ovan. På grund av reflektioner från linserna inuti båda kollimatorer, är det möjligt att observera flera lokala Maxima medan arrangera kollimatorer. Den faktiska maximala effekten är mycket större (150 mW) jämfört med den lokala maxima (70 till 80 mW). - Montera isolatorn 3 cm från < Col2 >. Justera riktningen på kollimatorerna igen för att justera de fria rymd komponenterna och maximera uteffekten. Närvaron av isolatorn kan något avleda strålen anpassningen, men den maximala uteffekten återvinns genom finjustering av kollimatorer.
- Montera birefrragande filter < BF >, en halv vågplåt < HWP > och två fjärdedels våg plattor (< QWP1 > och < QWP2 >) till motsvarande positioner som visas i figur 1. Den birefrragande filtret är inklämt mellan två polarisatorer-en före (< PBS >) och en efter (inom < ISO >)-för att skapa en sinusformad band-pass filtereffekt. Det måste finnas en liten (3 ° − 5 °) incident vinkel för < BF > för att kontrollera våglängdsområdet. Finjustera justeringen av kollimatorerna en gång till tills uteffekten når ett maximalt värde.
5. Ställ in extra kavitetskomponenter
- Skarvar alla tre hamnar i splitter (figur 1) med fiberoptiska kontakter (FC) eller Subminiature version a (SMA) kontakter. Typerna av anslutningar beror på ingångsportarna på photodioden och den optiska spektrumanalysatorn (OSA). Splice steg är identiska med dem som beskrivs i avsnitt 1 ovan.
- Anslut en utgång av splitter till fotodiod ingångsport OSA och andra utdata till fotodiod med FC-kontakter.
- Anslut fotodiod utgångsport till oscilloskop (OSC) med en bajonettfattning Neill-Concelman (BNC) kabel.
- Anslut kollimator < Col3 > till delnings portens ingångsport.
Anmärkning: använda kopplingen för att ansluta splitter och < Col3 > är för enkelhetens skull. Denna anslutning kan ersättas med en splice om så önskas. - Ta bort ström mätar sensorn.
- Montera den lilla spegeln < M1 > och den första kompressor gallerdurken < G1 > på det optiska bordet. För att uppnå maximal effektivitet av kompressorns galler, Använd kraftmätaren för att övervaka kraften i den första ordningens maximum medan du justerar incident vinkeln genom att rotera gallerdurtet.
Anmärkning: en rotations fas kan användas för att exakt styra rotationen. Eftersom förlusten på grund av incident vinkel förskjutningen är liten, används inte rotations stadiet här för att minska kostnaderna. - Montera den translationella scenen på bordet. Montera den andra kompressor gallerdurs < G2 > på det translationella stadiet. Avståndet mellan gallergaller bör vara ca 2 cm för optimal kompression med finjustering med hjälp av den translationella scenen. Se till att gallergallningarna är parallella.
- Montera kompressor spegeln < m2 > på det optiska bordet. Denna spegel bör vara vertikal och vinkelrät mot den rörliga riktningen av den translationella scenen.
- Montera resten av speglarna, balken Splitter, och kollimator < Col3 >. Justeringen kommer att justeras senare.
- Slå på pump lasern. Justera pump nivån till mindre än 0,5 W.
- Använd ett IR-scope för att kontrollera splice < C >. Lägg index matchande gel till alla ljusa fläckar.
Anmärkning: steg 5,11 bör göras regelbundet under normal användning av lasern. - Justera kompressorn.
- Använd ett IR-kort för att lokalisera strålen, justera positionen för < M1 > och kompressions gallningarna så att utgångs strålen korsar puls kompressions delarna i följande sekvens: < M1 >, < G1 >, < G2 >, < m2 >, < G2 > , < G1 >, < M1 >.
- Tilt < m2 > upp något för att höja den reflekterade strålen, vilket gör att den passerar ovanför puls väljar spegeln < M1 >.
Anmärkning: < m2 > kan ersättas med en retroreflektor så att AVLYFTNING spegeln < M1 > behöver inte vara vinklad. Det är, den reflekterade strålen kommer att vara parallellt med den infallande strålen, men förskjuten, med hjälp av en reflex spegel för att förenkla installationen.
- Rikta in kollimator med en utgångs stråle av beam splitter.
- Slå på OSA och Ställ in enheten på Power meter-läget.
- Justera vinkeln på spegeln < M3 > och kollimator för att maximera strömtillförsel. Effekt avläsningen bör vara över-10 dBm.
6. uppnå läge-låst prestanda med karakterisering av laser Pulse output
- Slå på OSC och Ställ in instrumentet på AC-kopplingsläge med trigger nivån inställd på 30 mV.
- Flytta OSA fotodiod input fiber till monokromatiska indata. Ställ in enheten på OSA-läge.
- Lås fasen av lasern genom att justera våg plattorna15.
- Rotera < QWP2 > flera grader fram och tillbaka. Läge-låsning spektrum består grovt sett av två stabila toppar med en platå mellan dem (dvs., en så kallad Cat-Ear eller Batman form). Under tiden kan ett stabilt puls tåg observeras på OSC.
- Om läget-låsning spektrum inte observeras, rotera < QWP1 > flera grader i en riktning och upprepa steg 6.3.1.
- Om du inte kan iaktta läget för låsning genom att upprepa 6.3.2 ska du rotera < BF > flera grader och upprepa steg 6.3.2.
Obs: det finns flera karakteristiska lägen för laser operationen som kan särskiljas genom att observera OSA: 1. en eller två smala (~ 1 Nm) toppar. Dessa är amplifierade spontana utsläpp (ASE). 2. en bred (~ 50 nm) bullrig topp med brutna linjer visas slumpmässigt. Det här är ett PML-spektrum (partial mode-lock). I detta brusliknande pulsläge varierar intensiteten och varaktigheten för varje puls, vilket resulterar i dålig bildkvalitet om man inte integrerar pulsfluktuationer över längre pixel uppehållstider. 17 3. En ASE-topp med mycket bullrig bakgrund som består av många toppar med låg amplitud. Detta är en icke-mode-låst Q-switchläge. I det här läget kan man ofta uppnå läges låsning genom att vrida < QWP1 > över en liten vinkel. 4. Batman formade läge-låsning spektrum. "Öronen" har vanligtvis olika amplituder med ett platt spektrum mellan skarpa kant funktioner. Davoudzadeh et al. ger detaljerade mätningar och illustrativa resultat för vart och ett av dessa driftsätt17.
- Förvärva och analysera radiofrekvensspektrumet (RF).
- Koppla från BNC-kabeln från OSC och Anslut den till RF Spectrum Analyzer.
Obs: med hjälp av en BNC tee adapter rekommenderas inte, eftersom marken bildar en sluten slinga, som inducerar ett eko i kretsen. RF-spektrumanalysatorn visas inte i figur 1, eftersom den tar samma position som OSC när den används. - Följ bruksanvisningen för RF-spektrumanalysatorn för att lokalisera den primära spektrum toppen. Den ungefärliga förväntade frekvensen kan beräknas baserat på tiden mellan två pulser med hjälp av OSC.
- Justera försiktigt våg plattorna och birefrragande filtret för att maximera signal-brus-förhållandet, vilket är höjden på den primära toppen i förhållande till bakgrunden.
Obs: läge-låsning RF spektrum bör vara en enda topp utan sidolober. För bästa bildkvalitet ska SNR nå minst 70 dB. Spektrumet på OSA bör övervakas noggrant, hålla koll på Batman spektrala form, för att säkerställa att lasern förblir mode-låst.
- Koppla från BNC-kabeln från OSC och Anslut den till RF Spectrum Analyzer.
- Följ tillverkarens instruktioner för att justera och manövrera autocorrelator för att mäta puls varaktigheten. Den andra utgången från den extra kaviteten balk splitter kan användas. När pulsen kan mätas, justera försiktigt den translationella scenen där < G2 > monteras för att justera avståndet mellan de två gallerdurksningarna för att ställa in puls längden.
Anmärkning: för att underlätta anpassningen är det bäst att montera spegeln < M1 > och < m2 > separat från de två gallergaller och den translationella scenen som de är monterade på. Observera också att pikosekund pulser observeras som en bred piedestal tillsammans med en central FS Pulse Peak funktion under delvis läge-låst drift17. - Gradvis öka pumpens effekt över 0,5 W för att hitta den maximala pumpen makt. Befogenheter upp till ~ 5W har testats. Använd IR-scopet för att kontinuerligt Observera den aktiva fiber < 4 >. Om en ljuspunkt visas, pumpen makt är för hög i kaviteten, och det är sannolikt att bränna den aktiva fiber på denna pump nivå.
Obs: den maximala effekten av systemet beror på längden på den aktiva fiber och anpassningen av i-hålrum fritt utrymme komponenter. De protokoll som beskrivs här nå output befogenheter upp till 1 W utan uppkomsten av ljusa fläckar eller brännskador på kaviteten, och denna effekt är mer än tillräckligt för de flesta bildprogram. Högre output befogenheter testades inte men kan vara möjligt, även om multipulsing sannolikt kommer att resultera16,17,18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det är viktigt att Kontrollera läge-låst drift vid slutförandet av fiber laser Fabrication förfaranden. Signaturer för optimal FS-pulgenerering och laser stabilitet är följande: för det första kan den utgående pulsen vara tillräckligt karaktäriserad av instrumenteringen som beskrivs i steg 6. Pulsen spektrum utgång från laser oscillatorn bör centreras nära 1 070 nm med den karakteristiska Cat-Ear eller Batman form som indikerar läge låsning som förutspådde av numerisk simulering av ANDi Pulse physics15 (figur 2a). Även om den karakteristiska spektrum är en utmärkt indikator på puls konsekvens, ytterligare tester är motiverade för att säkerställa full-läge-låsning, stabilitet, och den förväntade laserprestanda. Som ytterligare en diagnostik för läge-låsning, puls varaktighet och puls repetition Power Spectra mäts med hjälp av autocorrelator och RF Spectrum Analyzer, respektive. En enda topp utan en piedestal förväntas för båda mätningarna underläge-låst drift. Under autokorrelations mätningarna kan gallerparet stämmas för att uppnå puls komprimering. Puls längder på 70 FS (helbredds-halv-maximum) mättes (figur 2B). Denna dechirped Pulse varaktighet närmar sig den uppskattade omvandla begränsad komprimering av den nuvarande laser design: transformeringen gränsen beräknas med hjälp av uppmätta puls spektrum. För det andra kan puls stabiliteten testas genom att kontinuerligt övervaka den genomsnittliga uteffekten och puls spektrumet. Ström avdriften är mindre än ± 3,5% över 24 h (figur 2C) utan aktiv kylning när laser installationen är monterad på ett flytande optiskt bord med vibrationsdämpning. Denna stabilitetsnivå är tillräcklig för många bild experiment. Systemet är sedan stabilt och själv start i mer än en vecka när den är avstängd. Den fria rymden komponenter genomgå mekanisk drift och läge-låset är förlorad efter flera veckor, men läge låsning kan ofta återfås genom smärre justeringar av våg plattorna som beskrivs i steg 6.
När läge-låsning är verifierad, är det också viktigt att testa bildprestanda under praktiska MPE och ickelinjära mikroskopi experiment med enkla test mål och biologiska prover. Till exempel kan den anpassade fiber laser utgång riktas till en kommersiell laser scanning Mikroskop för två-Photon excitation (2PE) fluorescens Imaging (figur 3a). Observera att den extra kaviteten isolatorn, även om förstörande, är nödvändigt för att förhindra tillbaka reflektioner från Mikroskop optik från att komma in i laser oscillatorn. Dessa back reflektioner avbryter ofta läge-låsning och fluorescens signal generation under Imaging. Här genomfördes ett test med ett kommersiellt konfokala laser skannings Mikroskop och en avkalkande detektor med ett hål inställt på Maximal storleksinställning för att öka den insamlade fluorescenssignalen. Ett enkelt test prov för mikroskopi är mätningen av en fluorescerande färg lösning. Ett föreslaget första mikroskopiexperiment är att mäta den fluorescerande färgsignalen under justering av puls effekten med hjälp av en uppsättning neutrala täthetsfilter. Detta hjälper till att kontrollera att fluorescenssignalen är kvadratiskt beroende av den lasereffekt som levereras till prov planet (figur 3B), vilket är det förväntade svaret för 2Pe. Därefter kan bilder av biologiska prover samlas in med nonlinear 2Pe vävnad autofluorescence, till exempel (se figur 3C, en ofärgad, fast saltlake räkprov) samt andra harmoniska generationen (SHG) från kollagen fibriller och 2Pe av extrinsic fluorescerande fläckar (se figur 3D, en nyligen censurerade kyckling vävnad prov färgade med rodamin B). Som en ytterligare kontroll av 2PE, insamlade 2PE Hyperspektrala bilder av flerfärgade fluorescerande Microsphere test mål jämfördes med Hyperspektrala bilder tagna av linjär excitation med kommersiella Diodlasrar (figur 4). Single-Photon excitation och 2Pe fluorescens Spectra analyserades och jämfördes för två av de Microsphere färgerna motsvarar två fluorescerande färgämnen upphetsad separat av kommersiella, kontinuerlig våg 514 nm och 594 nm lasrar. Fluorescenspektrat som exciteras av den specialbyggda lasern är identiska med de spektra som tagits med de kommersiella kontinuerliga våg lasrarna (Single-Photon excitation). Sammantaget visar dessa resultat att Custom FS fiber laser genererar pulser med tillräcklig toppeffekt och enhetlighet för att generera 2PE-fluorescens och SHG.
Figur 1: Schematisk av Custom fiber laser och Pulse karakterisering setup. De numrerade svarta linjerna 1 och 2 indikerar pumpens lasereffekt. De numrerade svarta linjerna 3 − 7 indikerar intracavity fibrer med längden på varje fiber mellan skarv punkter som anges i meter. De onumrerade svarta linjerna indikerar extra hålighet fibrer. Korset (x) markerar splice punkter. De röda linjerna är ljusslingor med ledigt utrymme. Den tjocka svarta linjen mellan OSC och fotodiod (PD) indikerar en BNC-kabel. RF-spektrumanalysatorn, som tar samma position som OSC när den används, visas inte i figuren eftersom RF-spektrumanalysatorn kan bytas ut mot inställningen för OSC med BNC-kontakten. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: resultaten av laserkaraktärisering. A) spektrat av utgångs pulsen från funktions låsning i förhållande till numerisk simulering. (B) den autokorrelations signal för intensitet av dechirped pulsen jämfört med numerisk simulering av transformeringsgränsen. (C) laserns uteffekt under 2 24 h stabilitetstest. (Anpassad från Davoudzadeh et. Al.17) Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: resultaten av MPE mikroskopi prestandatester. (A) Schematisk av den specialbyggda fiberlasern med sin produktion riktad till ett kommersiellt konfokala Mikroskop. Blogg-log-handlingen som visar det kvadratiska beroendet hos den största tillåtna fel fluorescenssignalen som en funktion av laser uteffekt, mätt med en lösning av fluorescerande färgämne. (C) 2Pe autofluorescence bild av en obefläckade och fasta saltlake räkprov med hjälp av Custom FS fiber laser. (D) SHG (cyan) av kollagen fibriller och 2Pe fluorescens (magenta) av rodamin B-färgade celler från en nyligen censurerade kyckling vävnad med hjälp av Custom FS fiber laser. Skalstreck = 50 μm. (anpassad från Davoudzadeh et. Al.17) vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: en jämförelse av 2PE fluorescens med den anpassade FS fiber laser kontra Single-Photon excitation (1PE) med hjälp av kommersiella Diodlasrar. (A) en FLERKANALS 1PE bild av spektralt distinkta mikrokulor med hjälp av flera olika Diodlasrar (vänster; 1PE våglängder anges i nm.) Den fluorescerande intensitet profil av samma pärlor upphetsad av en 514 nm diode laser (mitten) och av Custom FS fiber laser (höger). Skalstreck = 50 μm. (B) de normaliserade spektra av grön (vänster) och röd (höger) pärlor upphetsad av diodlasern kontra den anpassade FS fiber laser. (Anpassad från Davoudzadeh et. Al.17) Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Skarvning punkt | A | B | C | D |
| Vänster fiber index | 1 | 3 | 4 | 6 |
| L beläggnings diameter (μm) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| L klädd diameter (μm) | 125 | 130 | 125 | 125 |
| L kärndiameter (μm) | 105 | 5 | 6 | 6 |
| L MFD (μm) | 105 | 4,8 | 7 | 6,2 |
| Rätt fiber index | 2 | 4 | 5 | 7 |
| R beläggnings diameter (μm) | 250 | 250 | 250 | 250 |
| R klädd diameter (μm) | 125 | 125 | 125 | 130 |
| R kärndiameter (μm) | 105 | 6 | 6 | 5 |
| R MFD (μm) | 105 | 7 | 6,2 | 4,8 |
Tabell 1: en sammanfattning av parametrarna för pumpen laser fiber skarv punkt (a) samt de tre intracavity fiber skarv punkter (B-D). Här är riktningen av ljust förökning från lämnad fiber till den högra fibern. L = vänster fiber i skarv fog; R = höger fiber i skarv fog; MFD = genomsnittlig fält diameter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De protokoll som beskrivs här syntetisera kunnande och expertis som har varit vanlig praxis i laserfysik laboratoriet i årtionden, men som ofta är obekanta för många biomedicinska forskare. Detta arbete försöker göra denna ultrasnabbt fiberlaserteknik mer tillgänglig för det bredare samhället. Den ANDi fiber laser design är väl etablerad, som först utvecklades i nyskapande verk av Wise och kollegor3. Men implementeringar av denna teknik av andra grupper har ibland resulterat i rapporter om lasrar som inte fungerar korrekt, illustrerar behovet av att ytterligare utbilda biomedicinska forskare i nontrivial aspekter av puls karakterisering och mode-låst drift.
Observera att anpassad laser tillverkning och drift är i allmänhet inte lämpar sig för laboratorier obekanta med laser drift och säkerhet. Laser säkerhetsutbildning och övervägande av faror är viktigt innan du försöker bygga en klass 4-laser. Eftersom Lasersystemet är öppet, finns det två stora reflektions balkar (kommer från kompressorns galler och i-hålrum PBS) och flera mindre reflektioner från andra optik som måste blockeras. Den fria rymden komponenter bör säkras till en stabil optisk tabell för att bibehålla anpassningen. Däremot är kommersiella lasrar alltid bifogas för säkerhet och ofta använder automatisk justering mekanismer, vilket gör dem lättare och säkrare att använda.
Som nämnts, den anpassade FS fiber laser presenteras här representerar kanske den bästa prestandan som kan förväntas för ett lätt konstruerat system som minimerar materialkostnader. Utformningen och kvaliteten på skarvar är en kritisk faktor för laser effektivitet, enkel tillverkning, och robusthet att bränna punkt skador. En skarvar av låg kvalitet kan inte bara minska pumpens verkningsgrad, utan även generera värme under drift och därmed skada kaviteten. För att uppnå hög kvalitet skarvar, måste man se till att fiber Cleaver och Splicer är rena. Som nämnts ovan, bomullsvabb indränkt med alkohol bör användas för att rengöra alla arbetsytor på en regelbunden basis. Dessutom, när stora klyva vinklar (> 0,3 °) inträffar, det rekommenderas starkt att lämna tillbaka för att förbättra skarva kvalitet.
När mode-låst, är systemet ganska stabilt och förblir själv Start under en period på mer än en vecka. I händelse av oavsiktliga störningar i systemet eller mekanisk drift av fritt utrymme komponenter över tiden, kommer systemet att förlora läge-låsning, men läget-låsning laser kan ofta lätt återvinnas genom att något justera vågen plattorna. För att bibehålla en stabil utgång är temperaturkontroll av den aktiva fibern nyckeln. Därför är systemet bäst används i ett luftkonditionerat rum med minimalt luftflöde nära den. Systemet är relativt ogenomtränglig för små vibrationer. I själva verket kan effekten av mekaniska vibrationer inte observeras i både tidsmässiga och spektrala domäner om systemet sätts på ett passivt dämpat optiskt bord. Vidröra fiber komponenterna i oscillatorn kommer att stör läge-lås, men läge-låsning återvinns helt enkelt genom att returnera fiber tillbaka till sin ungefärliga ursprungliga position.
Slutligen, den kompakta form faktorn av FS fiber lasrar är attraktiv för att utveckla mobila kliniska system. (t. ex. mobila Cart-baserade system). Medan mindre i storlek jämfört med en solid-state laser, den anpassade fiber laser design presenteras här innehåller flera fritt utrymme komponenter som kräver anpassning. Detta begränsar avsevärt rörligheten i systemet. Det är möjligt att ersätta alla dessa fritt utrymme komponenter med fiber komponent analoger. Framtida arbete kommer att omfatta utveckling av nya all-fiber laser design med PM fiber för att utveckla system som är robusta för miljöförändringar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga konkurrerande intressen.
Acknowledgments
Vi tackar DRS. E. Cronin-Furman och M. Weitzman (Olympus Corporation i Americas Scientific Solutions Group) för hjälp med att förvärva bilder. Detta arbete stöddes av National Institutes of Health Grant K22CA181611 (till B.Q.S.) och Richard och Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award för excellens i biomedicinsk forskning (till 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).
