Summary

Multifoton Mikroskopisi için Tüm Normal Dağılımlı Femtosecond Fiber Lazerin Düşük Maliyetli Özel İmalat ve Mode-kilitli Çalışması

Published: November 22, 2019
doi:

Summary

Multifoton mikroskopi, endoskopi ve fototıp potansiyel uygulamalar için özel bir düşük maliyetli, mod kilitli femtosaniye fiber lazer oluşturmak için bir yöntem sunulmaktadır. Bu lazer ticari olarak kullanılabilir parçalar ve temel birleştirme teknikleri kullanılarak inşa edilmiştir.

Abstract

Bir protokol özel bir düşük maliyetli henüz yüksek performanslı femtosecond (fs) fiber lazer oluşturmak için sunulmaktadır. Bu tüm normal dağılım (ANDi) ytterbium-doped fiber lazer tamamen 8.000 $ fiber optik ve pompa lazer bileşenleri, artı 4.800 $ standart optik bileşenleri ve ekstra-kavite aksesuarları dahil olmak üzere ticari olarak kullanılabilir parçalar kullanılarak inşa edilmiştir. Araştırmacılar fiber optik cihaz imalatı yeni de temel elyaf yapıştırma ve lazer darbe karakterizasyon ekipmanları (~ 63.000 $) yatırım düşünebilirsiniz. Optimal lazer işlemi için önemli olan, doğru ya da görünen (kısmi veya gürültü benzeri) modu kilitli performansı doğrulamak için yöntemler sunulur. Bu sistem yaklaşık 1.070 nm merkezi dalga boyu ve 31 MHz nabız tekrarlama hızı ile 70 fs darbe süresi elde eder. Bu fiber lazer, kolayca monte edilebilen fiber lazer sistemi için elde edilebilecek en yüksek performansı sergiler, bu da bu tasarımı yeni uygulamalara olanak tanıyan kompakt ve taşınabilir fs lazer teknolojileri geliştirmeyi amaçlayan araştırma laboratuvarları için ideal hale getirir. klinik multifoton mikroskopi ve fs cerrahisi.

Introduction

Solid state femtosecond (fs) darbeli lazerler yaygın mikroskopi ve biyolojik araştırmalar için kullanılır. Tipik bir örnek multifoton uyarma (MPE) floresan mikroskobu kullanımı, yüksek pik güç ve düşük ortalama güç fotohasar mekanizmaları en aza indirirken MPE sürecini kolaylaştırmak için istenir. Birçok yüksek performanslı katı hal lazerler ticari olarak mevcuttur, ve optik parametrik osilatör ile kombine edildiğinde (OPO), lazer dalga boyu geniş bir yelpazede üzerinde ayarlanabilir1. Örneğin, ticari osilatör-OPO sistemleri 680 ile 1.300 nm arasında 1 W ortalama güç üretir. Ancak, bu ticari ayarlanabilir fs lazer sistemlerinin maliyeti önemli (>$200,000) ve katı hal sistemleri genellikle su soğutma gerektirir ve klinik uygulamalar için taşınabilir değildir.

Ultrashort darbeli fiber lazer teknolojisi son birkaç yıl içinde olgunlaştı. Ticari bir fs darbeli fiber lazer maliyeti genellikle önemli ölçüde katı hal lazerler daha düşüktür, yukarıda belirtilen katı hal sistemleri tarafından sağlanan geniş dalga boyu ayarı yeteneği olmasa da. Lif lazerlerinin istendiğinde OPO’larla eşleşebileceğini unutmayın (yani hibrid fiber-katı hal sistemleri). Fiber lazer sistemlerinin büyük yüzey-hacim oranı verimli hava soğutmasağlar 2. Bu nedenle, fiber lazerler nispeten küçük boyutu ve basitleştirilmiş soğutma sistemi nedeniyle katı hal sistemleri daha taşınabilir. Ayrıca, fiber bileşenlerin birleştirilmesi, katı hal aygıtlarını oluşturan optik bileşenlerin serbest alan hizalamasının aksine sistem karmaşıklığını ve mekanik sürüklenmeyi azaltır. Tüm bu özellikler lif lazerleri klinik uygulamalar için ideal kYapar. Aslında, tüm fiber lazerler düşük bakım çalışması için geliştirilmiştir3,4,5, ve tüm polarizasyon-bakım (PM)-fiber lazerler sıcaklık ve nem değişiklikleri yanı sıra mekanik titreşimler 2 dahil olmak üzere çevresel faktörlere istikrarlı2,6,7,8.

Burada, bir yöntem ticari olarak kullanılabilir parçaları ve standart fiber birleştirme teknikleri ile bir maliyet-etkin fS darbeli ANDi fiber lazer oluşturmak için sunulmaktadır. Nabız tekrarlama hızını, süresini ve tutarlılığını (tam mod kilidi) karakterize etme yöntemleri de sunulmaktadır. Ortaya çıkan fiber lazer 31 MHz tekrarlama oranı ve 1.060 ila 1.070 nm merkezli bir dalga boyu ile 70 fs sıkıştırılabilir mod kilitli darbeler üretir. Lazer boşluğundan maksimum güç çıkışı yaklaşık 1 W’dır. ANDi fiber lazerlerin darbe fiziği, doygunemici2,3,9,10,11’inönemli bir bileşeni olarak optik fibere doğrusal olmayan polarizasyon evrimini zarif bir şekilde kullanır. Ancak, bu ANDi tasarım kolayca PM fiber kullanılarak uygulanmıyor anlamına gelir (ANDi mod kilitleme bir all-PM fiber uygulaması rapor olmasına rağmen, düşük güç ve ps darbe süresi12ile de olsa). Bu nedenle, çevresel istikrar önemli mühendislik gerektirir. Yeni nesil fiber lazer tasarımları, Mamyshev osilatör gibi, tüm PM-fiber cihazlar intracavity darbe enerjisi bir sipariş-of-büyüklük artışı yeteneğine sahip olarak tam çevresel istikrar sunmak için potansiyele sahip yanı sıra geniş darbe spektrumları güveniyor uygulamaları etkinleştirmek için darbe süresi önemli azalmalar sunan13,14. Bu yenilikçi fs fiber lazer tasarımları özel üretim know-how ve lif birleştirme deneyimi gerektirir.

Protocol

1. Splice tek modlifleri (SMF) NOT: Bölüm 1, Kobİ’leri birleştirme nin genel adımlarından oluşur. Bu gerekli olmayan, ancak tavsiye edilen, ucuz lif kullanarak lif splices uygulamak için adım. Bu adım, daha değerli fiber optik malzemeler kullanmadan önce birleştirme ekipmanının doğru performansını sağlar. Cleave ilk lif. Bir fiber sıyırma aracı ile lif yaklaşık 30 mm şerit. Kırılgan lifler (örn. çift kaplı lifler) için, bir jilet tamponu dikkatl…

Representative Results

Fiber lazer üretim prosedürleri tamamlandıktan sonra mod kilitli işlemi doğrulamak için önemlidir. Optimal fs darbe üretimi ve lazer stabilitesi imzaları aşağıdaki gibidir: İlk olarak, çıkış darbesi adım 6’da belirtilen enstrümantasyon ile yeterince karakterize edilebilir. Lazer osilatörden alınan darbe spektrum çıkışı, ANDi darbe fiziğinin sayısal simülasyonu15 (Şekil 2A)ile öngörüldü…

Discussion

Burada özetlenen protokoller, lazer fiziği laboratuvarında on yıllardır yaygın olarak kullanılan, ancak birçok biyomedikal araştırmacıya sıksık yabancı olan bilgi ve uzmanlığı sentezle. Bu çalışma, bu ultra hızlı fiber lazer teknolojisini daha geniş bir topluluk için daha erişilebilir hale getirmeye çalışır. ANDi fiber lazer tasarımı iyi kurulmuş, ilk Wise ve meslektaşları tarafından seminal çalışmalarda geliştirilen3. Ancak, diğer gruplar tarafından bu tek…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. E. Cronin-Furman ve M. Weitzman’a (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) görüntü edinmekonusunda yardımcı olan lardan dolayı teşekkür ederiz. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri Hibe K22CA181611 (B.Q.S.) ve Richard ve Susan Smith Aile Vakfı (Newton, M.A.) tarafından desteklendi. Smith Aile Ödülü Biyomedikal Araştırmamükemmellik için (B.Q.S.için).

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

  1. Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124 (2010).
  2. Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875 (2013).
  3. Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
  4. Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
  5. 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).
  6. Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474 (2007).
  13. Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
  14. Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
  15. 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).
  16. Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
  17. 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).
  18. 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).

Play Video

Cite This Article
Zhang, K., Davoudzadeh, N., Ducourthial, G., Spring, B. Q. Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy. J. Vis. Exp. (153), e60160, doi:10.3791/60160 (2019).

View Video