Viene presentato un metodo per costruire un laser in fibra femtosecondo a basso costo e a basso costo personalizzato per potenziali applicazioni nella microscopia multifotona, nell’endoscopia e nella fotomedicina. Questo laser è costruito utilizzando parti disponibili in commercio e tecniche di giunzione di base.
Viene presentato un protocollo per costruire un laser a fibra di femtosecondo (fs) a basso costo ma ad alte prestazioni. Questo laser a fibra dopata a dispersione completamente normale (ANDi) è costruito completamente utilizzando parti disponibili in commercio, tra cui 8.000 dollari in componenti in fibra ottica e laser a pompa, più 4.800 dollari in componenti ottici standard e accessori extra-cavity. I ricercatori nuovi per la fabbricazione di dispositivi in fibra ottica possono anche considerare l’investimento in attrezzature di base per lo splicing in fibra e l’impulso laser (63.000 usd). Importante per un funzionamento laser ottimale, vengono presentati metodi per verificare le prestazioni vere rispetto a quelle apparenti (parziali o simili al rumore) bloccate in modalità. Questo sistema raggiunge la durata dell’impulso di 70 fs con una lunghezza d’onda centrale di circa 1.070 nm e una velocità di ripetizione dell’impulso di 31 MHz. Questo laser a fibra presenta le massime prestazioni che possono essere ottenute per un sistema laser a fibra facilmente assemblabile, che rende questo progetto ideale per laboratori di ricerca che mirano a sviluppare tecnologie laser fs compatte e portatili che consentono nuove implementazioni di microscopia multifotone clinica e chirurgia fs.
I laser a impulsi femtosecondi (fs) a stato solido sono ampiamente utilizzati per la microscopia e la ricerca biologica. Un esempio tipico è l’uso della microscopia a fluorescenza multifotona (MPE), dove si desidera che l’alta potenza di picco e la bassa potenza media facilitino il processo MPE riducendo al minimo i meccanismi di fotodanno. Molti laser a stato solido ad alte prestazioni sono disponibili in commercio, e quando combinati con un oscillatore parametrico ottico (OPO), la lunghezza d’onda laser può essere sintonizzata su una vasta gamma1. Ad esempio, i sistemi oscillatore-OPO commerciali generano durate degli impulsi 1 W potenza media da 680 a 1.300 nm. Tuttavia, il costo di questi sistemi laser commerciali regolabili fs è significativo (>200.000) e i sistemi a stato solido generalmente richiedono il raffreddamento dell’acqua e non sono portabili per applicazioni cliniche.
La tecnologia laser a fibra pulsata Ultrashort è maturata negli ultimi anni. Il costo di un laser a fibra pulsata fs commerciale è in genere significativamente inferiore rispetto ai laser a stato solido, anche se senza la capacità di un’ampia messa a punto della lunghezza d’onda offerta dai sistemi a stato solido di cui sopra. Si noti che i laser a fibra possono essere accoppiati con OPP quando lo si desidera (cioè sistemi ibridi in fibra-stato solido). L’ampio rapporto superficie-volume dei sistemi laser in fibra consente un raffreddamento ad aria efficiente2. Quindi, i laser a fibra sono più portatili dei sistemi a stato solido a causa delle loro dimensioni relativamente piccole e del sistema di raffreddamento semplificato. Inoltre, la giunzione a fusione dei componenti in fibra riduce la complessità del sistema e la deriva meccanica in contrasto con l’allineamento dello spazio libero dei componenti ottici che costituiscono dispositivi a stato solido. Tutte queste caratteristiche rendono i laser a fibra ideali per applicazioni cliniche. Infatti, i laser a tutta fibra sono stati sviluppati per le operazioni a bassa manutenzione3,4,5e laser in fibra di gestione della polarizzazione (PM) sono stabili a fattori ambientali tra cui variazioni di temperatura e umidità, nonché vibrazioni meccaniche2,6,7,8.
Qui, viene presentato un metodo per costruire un laser in fibra ANDi pulsato fs a basso costo con parti disponibili in commercio e tecniche standard di giunzione in fibra. Vengono inoltre presentati metodi per caratterizzare la frequenza di ripetizione dell’impulso, la durata e la coerenza (blocco completo della modalità). Il laser a fibra risultante genera impulsi bloccati in modalità che possono essere compressi a 70 fs con una velocità di ripetizione di 31 MHz e una lunghezza d’onda centrata a 1.060 a 1.070 nm. L’uscita di potenza massima dalla cavità laser è di circa 1 W. La fisica dell’impulso dei laser a fibra ANDi utilizza elegantemente l’evoluzione della polarizzazione non lineare intrinseca alla fibra ottica come componente chiave dell’assorbitore saturabile2,3,9,10,11. Tuttavia, questo significa che il design ANDi non è facilmente implementato utilizzando fibra PM (anche se è stata segnalata un’implementazione in fibra all-PM di blocco della modalità ANDi, anche se a bassa potenza e durata dell’impulso ps12). Pertanto, la stabilità ambientale richiede un’ingegneria significativa. I progetti laser in fibra di nuova generazione, come l’oscillatore Mamyshev, hanno il potenziale per offrire una stabilità ambientale completa come dispositivi in fibra all-PM in grado di aumentare l’ordine di grandezza dell’energia dell’impulso intracavity, oltre ad offrire riduzioni significative della durata dell’impulso per consentire alle applicazioni che si basano su ampi spettri a impulsi13,14. La fabbricazione personalizzata di questi innovativi nuovi progetti laser in fibra fs richiede know-how e esperienza di giunzione in fibra.
I protocolli qui descritti sintetizzano il know-how e le competenze che sono state una pratica comune nel laboratorio di fisica laser per decenni, ma che spesso non è familiare a molti ricercatori biomedici. Questo lavoro cerca di rendere questa tecnologia laser a fibra ultraveloce più accessibile alla comunità più ampia. Il design laser in fibra ANDi è ben consolidato, come sviluppato per la prima volta in opere seminali da Wise e colleghi3. Tuttavia, le implementazioni di questa tecnologia …
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo i dottori E. Cronin-Furman e M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) per l’assistenza nell’acquisizione di immagini. Questo lavoro è stato sostenuto da National Institutes of Health Grant K22CA181611 (a B.Q.S.) e dalla Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (a B.Q.S.).
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 |