التصنيع المخصص المنخفض التكلفة والوضع-العملية المقفلة لليزر ألياف البصرية الطبيعي التشتت
Summary
يتم تقديم أسلوب لبناء الليزر ألياف البصرية المخصصة منخفضه التكلفة ، ووضع مؤمن للتطبيقات المحتملة في المجهر متعدد الفوتونات ، والتنظير ، والطب الضوئي. تم بناء هذا الليزر باستخدام الأجزاء المتاحة تجاريا وتقنيات الربط الاساسيه.
Abstract
يتم تقديم بروتوكول لبناء مخصصه منخفضه التكلفة ولكن عاليه الأداء فيمتو ثانيه (fs) ألياف الليزر. هذا كله–الطبيعي–تشتت (اندي) yاتيرسي ألياف الليزر هو بنيت تماما باستخدام الأجزاء المتاحة تجاريا ، بما في ذلك $8,000 في مكونات ألياف البصرية ومضخة الليزر ، بالاضافه إلى $4,800 في المكونات البصرية القياسية وملحقات اضافيه تجويف. الباحثون جديده لتصنيع ألياف البصرية الجهاز قد تنظر أيضا الاستثمار في الربط ألياف الاساسيه والليزر معدات توصيف النبض (~ $63,000). المهم لعمليه الليزر الأمثل ، طرق للتحقق من الأداء الصحيح مقابل الظاهري (الجزئي أو الشبيه بالضجيج) يتم تقديم عرض تامين. هذا النظام يحقق 70 fs مده النبض مع الطول الموجي مركز من تقريبا 1,070 نانومتر ومعدل تكرار النبض من 31 ميغاهيرتز. هذا الليزر ألياف يسلك الأداء الذروة التي يمكن الحصول عليها لنظام الليزر ألياف تجميعها بسهوله ، مما يجعل هذا التصميم المثالي للمختبرات البحوث تهدف إلى تطوير المدمجة والمحمولة الليزر fs التكنولوجيات التي تمكن تطبيقات جديده من السريرية المجهرية متعدد الفوتونات والجراحة fs.
Introduction
الحالة الصلبة فيمتو ثانيه (fs) وتستخدم علي نطاق واسع ليزر النبضي للبحوث المجهرية والبيولوجية. مثال واحد نموذجي هو استخدام متعدد الفوتونات الاثاره (MPE) المجهر الفلوري ، حيث الطاقة الذروة العالية والطاقة المتوسطة المنخفضة المطلوبة لتسهيل عمليه MPE مع تقليل أليات التصوير الضوئي. العديد من عاليه الأداء ليزر الحالة الصلبة متاحه تجاريا ، وعندما يقترن مع مذبذب البصرية حدودي (OPO) ، والطول الموجي ليزر يمكن ضبطها علي مدي مجموعه واسعه1. علي سبيل المثال ، أنظمه المذبذب-OPO التجارية توليد 1 W متوسط الطاقة من 680 إلى 1,300 nm. ومع ذلك ، فان تكلفه هذه النظم التجارية الليزر fs القابلة للتوقد كبيره (> $200000) ، وأنظمه الحالة الصلبة تتطلب عموما تبريد المياه وغير المحمولة للتطبيقات السريرية.
وقد نضجت تكنولوجيا الليزر ألياف نابض الترا في السنوات القليلة الماضية. التكلفة من [فس] تجاريه نابض ليف ليزر عاده [لوور] بشكل ملحوظ من ليزر [سليد-ستت], رغم ان دون القدرة من واسعه طول موجية يوفق يعطي ب ال [سليد-ستت] نظامات يذكر أعلاه. لاحظ انه يمكن اقران ليزر ألياف مع OPOs عند الرغبة (اي ألياف الهجينة-الصلبة-الحالة الانظمه). النسبة الكبيرة من السطح إلى الحجم من أنظمه الليزر ألياف تمكن تبريد الهواء كفاءه2. التالي ، الليزر ألياف هي أكثر المحمولة من أنظمه الحالة الصلبة نظرا لصغر حجمها نسبيا وتبسيط نظام التبريد. وعلاوة علي ذلك ، فان الربط الانصهار للمكونات ألياف يقلل من تعقيد النظام والانحراف الميكانيكي علي النقيض من محاذاة الفضاء الحر للمكونات البصرية التي تشكل أجهزه الحالة الصلبة. كل هذه الميزات تجعل الليزر ألياف مثاليه للتطبيقات السريرية. في الواقع ، تم تطوير جميع ألياف الليزر لعمليه صيانة منخفضه3،4،5، وجميع الاستقطاب-الحفاظ علي (PM)-ألياف الليزر مستقره للعوامل البيئية بما في ذلك التغيرات في درجه الحرارة والرطوبة ، فضلا عن الاهتزازات الميكانيكية2،6،7،8.
هنا ، يتم تقديم طريقه لبناء فعاله من حيث التكلفة fs النبضي ليزر ألياف اندي مع الأجزاء المتاحة تجاريا وتقنيات الربط ألياف القياسية. وتعرض أيضا طرق توصيف معدل تكرار النبض ، ومدته ، وتماسكه (قفل الوضع الكامل). الليزر ألياف الناتجة يولد الوضع مقفله البقول التي يمكن ان تضغط علي 70 fs مع معدل التكرار من 31 ميغاهيرتز والطول الموجي تركزت في 1,060 إلى 1,070 نانومتر. الحد الأقصى لإنتاج الطاقة من تجويف الليزر هو تقريبا 1 W. الفيزياء نبض من الليزر ألياف اندي يستخدم باناقه تطور الاستقطاب غير الخطية المتاصله في ألياف البصرية كعنصر رئيسي من امتصاص تشبع2,3,9,10,11. ومع ذلك ، وهذا يعني انه لا يتم تنفيذ التصميم اندي بسهوله باستخدام ألياف PM (علي الرغم من انه تم الإبلاغ عن تنفيذ ألياف all-م من اندي وضع-تامين ، وان كان مع انخفاض الطاقة والنبض ps المدة12). التالي ، يتطلب الاستقرار البيئي قدرا كبيرا من الهندسة. الجيل القادم من ألياف الليزر التصاميم ، مثل المذبذب mamyshev ، لديها القدرة علي تقديم الاستقرار البيئي الكامل كما الاجهزه جميع-م-ألياف قادره علي زيادة النظام من حيث الحجم في الطاقة نبض داخل الشركة ، فضلا عن تقديم انخفاض كبير في مده النبض لتمكين التطبيقات التي تعتمد علي أطياف نبض واسعه13،14 تصنيع مخصصه من هذه التصاميم الجديدة ألياف البصرية الليزر المبتكرة يتطلب الدراية وألياف الربط الخبرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
البروتوكولات المبينة هنا توليف الدراية والخبرة التي كانت ممارسه شائعه في مختبر الفيزياء الليزر لعقود ، ولكن التي غالبا ما تكون غير مالوفه لكثير من الباحثين الطب الحيوي. هذا العمل يحاول جعل هذه التكنولوجيا الفائقة ليزر ألياف الفائقة في متناول المجتمع الأوسع. تصميم الليزر ألياف اندي راسخة…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر السيد ا. كرونين-فورمان والسيد ويتسمان (شركه اوليمبوس التابعة لمجموعه الحلول العلمية في الأمريكتين) علي المساعدة في الحصول علي الصور. وقد دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة منحه K22CA181611 (إلى B.Q.S.) ومؤسسه ريتشارد وسوزان سميث الاسره (نيوتن ، ماجستير) جائزه الاسره سميث للتميز في البحوث الطبية الحيوية (إلى B.Q.S.).
Materials
| Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics) | Thorlabs | TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x) | Standard optical components |
| Advanced optical fiber cleaver | AFL | CT-100 | |
| Autocorrelator | Femtochrome | FR-103XL/IR/FA/CDA | |
| Beamsplitter mount | Thorlabs | BSH1/M | |
| Factory fusion splicer | AFL | FSM-100P | |
| Fiber collimators | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 3x |
| Fiber-coupled,high-speed photodiode detector | Thorlabs | DET08CFC | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-5-1050-HP | |
| Free-space isolator | Thorlabs | IO-3D-1050-VLP | |
| Half waveplate | Union Optics (China) | WPZ2312 | 2x |
| High power multimode fiber pump module | Gauss Lasers (China) | Pump-MM-976-10 | |
| High power pump and signal combiner | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | |
| Index matching gel | Thorlabs | G608N3 | |
| Optical spectrum analyzer | Keysight | Agilent 70951B | |
| Oscilloscope | Keysight | Agilent 54845A | |
| Passive double clad fiber(5/130 μm) | ITF Technology (Canada) | MMC02112DF1 | 3m, Included with combiner |
| Polarizing beamsplitter | Thorlabs | PBS253 | |
| Quarter waveplates | Union Optics (China) | WPZ4312 | 2x |
| Quartz birefringent filter plate | Newlight (Canada) | BIR1060 | |
| RF spectrum analyzer | Tektronix | RSA306B | |
| Single mode fiber (6/125 μm) | OZ Optics (Canada) | LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC | 1m, Included with collimators |
| Single mode fiber coupler | AFW (Australia) | FOSC-2-64-30-L-1-H64-2 | |
| Transmission diffraction grating 1 | LightSmyth | T-1000-1040-3212-94 | For compressor |
| Transmission diffraction grating 2 | LightSmyth | T-1000-1040-60×12.3-94 | For compressor |
| Waveplate rotation mount | Thorlabs | RSP1/M | 4x |
| Ytterbium-doped single mode double clad fiber | Thorlabs | YB1200-6/125DC | 3m |
References
- Savage, N. Optical parametric oscillators. Nature Photonics. 4, 124 (2010).
- Xu, C., Wise, F. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics. 7, 875 (2013).
- Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
- Fekete, J., Cserteg, A., Szipőocs, R. All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator. Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).
- Krolopp, &. #. 1. 9. 3. ;., et al. Handheld nonlinear microscope system comprising a 2 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber laser for in vivo biomedical imaging. Biomedical Optics Express. 7, 3531-3542 (2016).
- Fermann, M. E., Hartl, I. Ultrafast fibre lasers. Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).
- Szczepanek, J., Kardaś, T. M., Michalska, M., Radzewicz, C., Stepanenko, Y. Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear loop mirror. Optics Letters. 40, 3500-3503 (2015).
- Bowen, P., Singh, H., Runge, A., Provo, R., Broderick, N. G. Mode-locked femtosecond all-normal all-PM Yb-doped fiber laser at 1060 nm. Optics Communications. 364, 181-184 (2016).
- Chong, A., Buckley, J., Renninger, W., Wise, F. All-normal-dispersion femtosecond fiber laser. Optics Express. 14, 10095-10100 (2006).
- Kieu, K., Renninger, W., Chong, A., Wise, F. Sub-100 fs pulses at watt-level powers from a dissipative-soliton fiber laser. Optics Letters. 34, 593-595 (2009).
- Wise, F. W. Femtosecond Fiber Lasers Based on Dissipative Processes for Nonlinear Microscopy. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 18, 1412-1421 (2012).
- Nielsen, C. K., Keiding, S. R. All-fiber mode-locked fiber laser. Optics Letters. 32, 1474 (2007).
- Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator. Optica. 4, 649-654 (2017).
- Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator. Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).
- Li, X., et al. High-power ultrafast Yb:fiber laser frequency combs using commercially available components and basic fiber tools. Review of Scientific Instruments. 87, 093114 (2016).
- Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers. Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).
- Davoudzadeh, N., Ducourthial, G., Spring, B. Q. Custom fabrication and mode-locked operation of a femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy. Scientific Reports. 9, 4233 (2019).
- Renninger, W., Chong, A., Wise, F. W. Area theorem and energy quantization for dissipative optical solitons. Journal of the Optical Society of America. 27, 1978-1982 (2010).
