Fabricação personalizada de baixo custo e operação bloqueada pelo modo de um laser de fibra femtosecond de dispersão normal para microscopia multifoton
Summary
Um método é apresentado para construir um laser de fibra de femtosegundo personalizado de baixo custo e bloqueado pelo modo para aplicações potenciais em microscopia multifoton, endoscopia e fotomedicina. Este laser é construído usando peças comercialmente disponíveis e técnicas básicas de emenda.
Abstract
Um protocolo é apresentado para construir um laser de fibra de femtosegundo (femtosecond) de baixo custo personalizado. Este laser de fibra com dopado de ytterbium (ANDi) é construído completamente usando peças comercialmente disponíveis, incluindo US$ 8.000 em componentes a laser de fibra óptica e bomba, além de US$ 4.800 em componentes ópticos padrão e acessórios extra-cavidade. Pesquisadores novos para a fabricação de dispositivos de fibra óptica também podem considerar investir em equipamentos básicos de emenda de fibra e caracterização de pulso a laser (~$63,000). Importante para a operação ideal do laser, os métodos para verificar o desempenho modo-fechado verdadeiro contra aparente (parcial ou ruído-como) são apresentados. Este sistema atinge 70 fs duração do pulso com um comprimento de onda central de aproximadamente 1.070 nm e uma taxa de repetição do pulso de 31 MHz. Este laser de fibra exibe o desempenho máximo que pode ser obtido para um sistema laser de fibra facilmente montado, o que torna este projeto ideal para laboratórios de pesquisa com o objetivo de desenvolver tecnologias laser fs compactas e portáteis que permitem novas implementações de microscopia multifoto clínica e cirurgia fs.
Introduction
Os lasers pulsados do femtosecond (fs) do estado contínuo são amplamente usados para a microscopia e a pesquisa biológica. Um exemplo típico é o uso de microscopia de fluorescência de excitação multifoton (MPE), onde a alta potência de pico e a baixa potência média são desejadas para facilitar o processo de MPE, minimizando os mecanismos de danos fotográficos. Muitos lasers de estado sólido de alto desempenho estão disponíveis comercialmente, e quando combinados com um oscilador paramétrico óptico (OPO), o comprimento de onda laser pode ser ajustado ao longo de uma ampla gama1. Por exemplo, os sistemas oscilador-OPO comerciais geram durações de pulso de 120 mejões (normalmente com uma taxa de repetição de pulso de 80 MHz) e potência média >1 W de 680 a 1.300 nm. No entanto, o custo desses sistemas a laser comerciais de fs tunable é significativo (>$200,000), e os sistemas de estado sólido geralmente exigem resfriamento de água e não são portáteis para aplicações clínicas.
Ultrashort pulsado tecnologia laser de fibra amadureceu nos últimos anos. O custo de um laser de fibra pulsada fs comercial é tipicamente significativamente menor do que lasers de estado sólido, embora sem a capacidade de ajuste de comprimento de onda amplo proporcionado pelos sistemas de estado sólido mencionados acima. Note-se que os lasers de fibra podem ser emparelhados com OPOs quando desejado (ou seja, sistemas híbridos de fibra sólida-estado). A grande relação superfície-volume de sistemas de laser de fibra permite resfriamento de ar eficiente2. Assim, os lasers de fibra são mais portáteis do que os sistemas de estado sólido devido ao seu tamanho relativamente pequeno e sistema de resfriamento simplificado. Além disso, a emenda de fusão dos componentes de fibra reduz a complexidade do sistema e a deriva mecânica em contraste com o alinhamento do espaço livre dos componentes ópticos que compõem dispositivos de estado sólido. Todas essas características tornam os lasers de fibra ideais para aplicações clínicas. Na verdade, lasers de fibra sumida foram desenvolvidos para a operação de baixa manutenção3,4,5,e todos os lasers de fibra de polarização (PM) são estáveis para fatores ambientais, incluindo mudanças de temperatura e umidade, bem como vibrações mecânicas2,6,7,8.
Aqui, um método é apresentado para construir um laser de fibra ANDi pulsado fs econômico com peças comercialmente disponíveis e técnicas padrão de emenda de fibra. Métodos para caracterizar a taxa de repetição do pulso, duração e coerência (full mode-lock) também são apresentados. O laser de fibra resultante gera pulsos bloqueados pelo modo que podem ser comprimidos para 70 fs com uma taxa de repetição de 31 MHz e um comprimento de onda centrado em 1.060 a 1.070 nm. A potência máxima da cavidade laser é de aproximadamente 1 W. A física do pulso de lasers de fibra ANDi utiliza elegantemente a evolução da polarização não linear intrínseca à fibra óptica como um componente chave do absorvente saturável2,3,9,10,11. No entanto, isso significa que o projeto ANDi não é facilmente implementado usando fibra PM (embora uma implementação de fibra de TODOS OS PM de andi modo de bloqueio tem sido relatado, embora com baixa potência e ps pulsação duração12). Assim, a estabilidade ambiental requer engenharia significativa. Projetos de laser de fibra de próxima geração, como o oscilador Mamyshev, têm o potencial de oferecer estabilidade ambiental completa como dispositivos de fibra de PM capazes de um aumento de ordem de magnitude na energia do pulso intracavidade, bem como oferecer diminuições significativas na duração do pulso para permitir aplicações que dependem de espectros de pulsoamplos 13,14. A fabricação feita encomenda destes projetos novos inovativos do laser da fibra dos fs exige a experiência do splicing do know-how e da fibra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os protocolos descritos aqui sintetizam know-how e experiência que têm sido prática comum no laboratório de física laser por décadas, mas que é freqüentemente desconhecido para muitos pesquisadores biomédicos. Este trabalho tenta tornar esta tecnologia laser de fibra ultrarrápida mais acessível à comunidade em geral. O projeto do laser da fibra de ANDi é bem-estabelecido, como desenvolvido primeiramente em trabalhos seminais por Sábio e por colegas3. No entanto, as implementações d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos aos Drs. E. Cronin-Furman e M. Weitzman (Olympus Corporation do Americas Scientific Solutions Group) pela assistência na aquisição de imagens. Este trabalho foi apoiado pelo National Institutes of Health Grant K22CA181611 (para B.Q.S.) e pela Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (para 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 |
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