Низкозатратные пользовательские изготовления и режим-заблокированоперации все-нормально-дисперсионный фемтосекундный лазер волокна для мультифотон микроскопии
Summary
Представлен метод создания специального недорогого, заблокированного в режиме фемтосекундного оптоволоконного лазера для потенциального применения в мультифотональной микроскопии, эндоскопии и фотомедицине. Этот лазер построен с использованием коммерчески доступных деталей и основных методов сращивания.
Abstract
Представлен протокол для создания специального недорогого, но высокопроизводительного фемтосекундного (fs) оптоволоконного лазера. Это все нормально-дисперсии (ANDi) ytterbium-легированный волоконный лазер построен полностью с использованием коммерчески доступных частей, в том числе $ 8000 в волоконно-оптических и насосных лазерных компонентов, а также $ 4800 в стандартных оптических компонентов и дополнительных полостей аксессуары. Исследователи новые волоконно-оптические устройства изготовления могут также рассмотреть вопрос об инвестировании в основные волокна сращивания и лазерного импульса характеристики оборудования (63000). Важно для оптимальной работы лазера, методы для проверки истинной и очевидной (частичной или шумоподобной) режим-locked производительности представлены. Эта система достигает 70 fs продолжительности импульса с центральной длиной волны приблизительно 1,070 nm и частотой повторения импульса 31 МГц. Это волокно лазер экспонатов пиковой производительности, которые могут быть получены для легко собранных волоконно-лазерной системы, что делает этот дизайн идеально подходит для научно-исследовательских лабораторий, направленных на разработку компактных и портативных fs лазерных технологий, которые позволяют новые реализации клиническая мультифотоническая микроскопия и fs хирургия.
Introduction
Для микроскопии и биологических исследований широко используются импульсные лазеры твердого состояния (fs) для микроскопии и биологических исследований. Одним из типичных примеров является использование мультифотонной микроскопии флуоресценции (MPE), где высокая пиковая мощность и низкая средняя мощность желательно облегчить процесс MPE при минимизации механизмов фотоповреждения. Многие высокопроизводительные твердотельные лазеры коммерчески доступны, и в сочетании с оптическим параметрическим осциллятором (OPO), длина лазерной волны может быть настроена на широкий диапазон1. Например, коммерческие системы осциллятора-OPO генерируют продолжительность импульса lt;120 fs (обычно с частотой повторения импульса 80 МГц) и 1 Вт средней мощности от 680 до 1300 нм. Тем не менее, стоимость этих коммерческих настраиваемых fs лазерных систем является значительным (200 000 долл. США), а системы твердого тела, как правило, требуют водяного охлаждения и не являются портативными для клинического применения.
Ультракороткие импульсные волоконные лазерные технологии созрели в последние несколько лет. Стоимость коммерческого fs импульсного волокна лазера, как правило, значительно ниже, чем твердотельные лазеры, хотя и без возможности широкой настройки длины волны, предоставляемые твердотельных систем, упомянутых выше. Обратите внимание, что волоконные лазеры могут быть в паре с OPOs при желании (т.е. гибридные волоконно-твердо-государственные системы). Большое соотношение поверхностных и объемных волоконных лазерных систем обеспечивает эффективное охлаждение воздуха2. Таким образом, волоконные лазеры являются более портативными, чем твердотельные системы из-за их относительно небольшого размера и упрощенной системы охлаждения. Кроме того, слияние компонентов волокна снижает сложность системы и механический дрейф в отличие от выравнивания свободного пространства оптических компонентов, составляющих твердотельные устройства. Все эти функции делают волоконные лазеры идеальными для клинического применения. В самом деле, все волокна лазеры были разработаны для низкой эксплуатации операции3,4,5,и все-поляризации-поддержания (PM) волокна лазеры стабильны к факторам окружающей среды, включая изменения температуры и влажности, а также механические вибрации2,6,7,8.
Здесь представлен метод создания экономичного fs импульсного оптоволоконного лазера ANDi с коммерчески доступными частями и стандартными методами сращивания волокон. Также представлены методы, характеризующие частоту повторения импульса, продолжительность и согласованность (полный режим блокировки). Полученный оптоволоконный лазер генерирует запертые в режиме импульсы, которые могут быть сжаты до 70 fs с частотой повторения 31 МГц и длиной волны, сосредоточенной на 1060 до 1070 нм. Максимальная мощность лазерной полости составляет примерно 1 Вт. Физика импульса anDi волоконных лазеров элегантно использует нелинейную эволюцию поляризации, присущую оптическому волокну в качестве ключевого компонента сатурантного амортизатора2,3,9,10,11. Тем не менее, это означает, что дизайн ANDi не легко реализовать с помощью волокна PM (хотя все-PM волокна реализации ANDi режим блокировки было сообщено, хотя и с низкой мощностью и ps пульс продолжительность12). Таким образом, экологическая стабильность требует значительных инженерных работ. Следующее поколение волоконных лазерных конструкций, таких как осциллятор Mamyshev, имеют потенциал, чтобы предложить полную экологическую стабильность, как все-PM-волокна устройства, способные на порядок величины увеличение энергии импульса intracavity, а также предлагает значительное снижение продолжительности импульса, чтобы приложения, которые полагаются на широкий импульсспектра 13,14. Пользовательские изготовления этих инновационных новых fs волокна лазерных конструкций требует ноу-хау и волокна сплайсинга опыт.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протоколы, изложенные здесь, синтезируют ноу-хау и опыт, которые были обычной практикой в лаборатории лазерной физики на протяжении десятилетий, но которые часто незнакомы многим биомедицинским исследователям. Эта работа пытается сделать эту сверхбыструю волоконную лазерную техноло?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим доктора Е. Кронина-Фурмана и М. Вейцмана (Корпорация Olympus of the Americas Scientific Solutions Group) за помощь в приобретении изображений. Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения Грант K22CA181611 (до B.З.С.) и Ричард и Сьюзан Смит Семейный фонд (Ньютон, M.A.) Премия Смита в области семьи за выдающиеся достижения в области биомедицинских исследований (до B.A.S.).
Materials
| Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics) | Thorlabs | TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x) | Standard optical components |
| Advanced optical fiber cleaver | AFL | CT-100 | |
| Autocorrelator | Femtochrome | FR-103XL/IR/FA/CDA | |
| Beamsplitter mount | Thorlabs | BSH1/M | |
| Factory fusion splicer | AFL | FSM-100P | |
| Fiber collimators | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 3x |
| Fiber-coupled,high-speed photodiode detector | Thorlabs | DET08CFC | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-5-1050-HP | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-3D-1050-VLP | |
| Half waveplate | Union Optics (China) | WPZ2312 | 2x |
| High power multimode fiber pump module | Gauss Lasers (China) | Pump-MM-976-10 | |
| High power pump and signal combiner | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | |
| Index matching gel | Thorlabs | G608N3 | |
| Optical spectrum analyzer | Keysight | Agilent 70951B | |
| Oscilloscope | Keysight | Agilent 54845A | |
| Passive double clad fiber(5/130 μm) | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | 3m, Included with combiner |
| Polarizing beamsplitter | Thorlabs | PBS253 | |
| Quarter waveplates | Union Optics (China) | WPZ4312 | 2x |
| Quartz birefringent filter plate | Newlight (Canada) | BIR1060 | |
| RF spectrum analyzer | Tektronix | RSA306B | |
| Single mode fiber (6/125 μm) | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 1m, Included with collimators |
| Single mode fiber coupler | AFW (Australia) | FOSC-2-64-30-L-1-H64-2 | |
| Transmission diffraction grating 1 | LightSmyth | T-1000-1040-3212-94 | For compressor |
| Transmission diffraction grating 2 | LightSmyth | T-1000-1040-60×12.3-94 | For compressor |
| Waveplate rotation mount | Thorlabs | RSP1/M | 4x |
| Ytterbium-doped single mode double clad fiber | Thorlabs | YB1200-6/125DC | 3m |
References
- Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124 (2010).
- Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875 (2013).
- Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
- Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
- Krolopp, &. #. 1. 9. 3. ;., et al. Handheld nonlinear microscope system comprising a 2 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber laser for in vivo biomedical imaging. Biomedical Optics Express. 7, 3531-3542 (2016).
- Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
- Szczepanek, J., Kardaś, T. M., Michalska, M., Radzewicz, C., Stepanenko, Y. Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear loop mirror. Optics Letters. 40, 3500-3503 (2015).
- Bowen, P., Singh, H., Runge, A., Provo, R., Broderick, N. G. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser at 1060 nm. Optics Communications. 364, 181-184 (2016).
- Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
- Kieu, K., Renninger, W., Chong, A., Wise, F. Sub-100 fs pulses at watt-level powers from a dissipative-soliton fiber laser. Optics Letters. 34, 593-595 (2009).
- Wise, F. W. Femtosecond Fiber Lasers Based on Dissipative Processes for Nonlinear Microscopy. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 18, 1412-1421 (2012).
- Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474 (2007).
- Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
- Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
- Li, X., et al. High-power ultrafast Yb:fiber laser frequency combs using commercially available components and basic fiber tools. Review of Scientific Instruments. 87, 093114 (2016).
- Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
- Davoudzadeh, N., Ducourthial, G., Spring, B. Q. Custom fabrication and mode-locked operation of a femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy. Scientific Reports. 9, 4233 (2019).
- Renninger, W., Chong, A., Wise, F. W. Area theorem and energy quantization for dissipative optical solitons. Journal of the Optical Society of America. 27, 1978-1982 (2010).
