다광자 현미경을 위한 저비용 맞춤형 제작 및 모드 잠금 작동 의 모든 정상 분산 펨토초 섬유 레이저
Summary
다광자 현미경, 내시경 검사 및 광의학에서 잠재적 인 응용 분야에 대한 사용자 정의 저비용, 모드 잠금 펨토초 섬유 레이저를 구축하는 방법이 제시된다. 이 레이저는 시판되는 부품과 기본 접합 기술을 사용하여 제작되었습니다.
Abstract
맞춤형 저비용이지만 고성능 펨토초(fs) 광섬유 레이저를 구축하기 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 모든 정상 분산 (ANDi) ytterbium 도핑 섬유 레이저는 광섬유 및 펌프 레이저 구성 요소에 $ 8,000, 표준 광학 부품 및 엑스트라 캐비티 액세서리 $ 4,800을 포함하여 상업적으로 이용 가능한 부품을 사용하여 완전히 제작되었습니다. 광섬유 장치 제조를 위한 새로운 연구원은 또한 기본적인 섬유 접합 및 레이저 펄스 특성화 장비 (~$63,000)에 투자를 고려할 수 있습니다. 최적의 레이저 작동에 중요한 방법, 실제 및 명백한 (부분 또는 노이즈와 같은) 모드 잠금 성능을 확인하는 방법이 표시됩니다. 이 시스템은 약 1,070 nm의 중심 파장과 31 MHz의 펄스 반복 속도로 70 fs 펄스 지속 시간을 달성합니다. 이 광섬유 레이저는 쉽게 조립된 광섬유 레이저 시스템을 위해 얻을 수 있는 피크 성능을 나타내며, 이 설계는 새로운 구현을 가능하게 하는 컴팩트하고 휴대용 fs 레이저 기술을 개발하는 것을 목표로 하는 연구 실험실에 이상적입니다. 임상 다광자 현미경 및 FS 수술.
Introduction
고체 펨토초(fs) 펄스 레이저는 현미경 및 생물학적 연구에 널리 사용됩니다. 대표적인 예로는 광손상 메커니즘을 최소화하면서 MPE 공정을 용이하게 하기 위해 높은 피크 전력과 낮은 평균 전력이 요구되는 다광자 광도(MPE) 형광 현미경의 사용이 있습니다. 많은 고성능 고체 레이저가 시판되고, 광학 파라메트릭 발진기 (OPO)와 결합될 때, 레이저 파장은 넓은 범위1에걸쳐 튜닝될 수 있다. 예를 들어 상업용 발진기-OPO 시스템은 680에서 1,300nm까지의 평균 전력(일반적으로 80MHz 펄스 반복 속도)과 >1W 평균 전력을 생성합니다. 그러나 이러한 상용 튜닝 가능한 fs 레이저 시스템의 비용은 상당하며(>$200,000), 솔리드 스테이트 시스템은 일반적으로 수냉을 필요로 하며 임상 응용 분야에는 이식할 수 없습니다.
초단 펄스 섬유 레이저 기술은 지난 몇 년 동안 성숙했다. 상용 fs 펄스 섬유 레이저의 비용은 일반적으로 위에서 언급 한 고체 시스템에 의해 제공되는 광범위한 파장 튜닝의 기능없이, 고체 레이저보다 상당히 낮다. 광섬유 레이저는 원하는 경우 오푸스와 페어링할 수 있습니다(즉, 하이브리드 섬유-고체 시스템). 섬유 레이저 시스템의 큰 표면 대 부피 비율은 효율적인 공기 냉각2를가능하게합니다. 따라서, 광섬유 레이저는 상대적으로 작은 크기와 단순화 된 냉각 시스템으로 인해 고체 시스템보다 더 휴대용입니다. 또한, 섬유 부품의 융합 접합은 고체 장치를 구성하는 광학 부품의 자유 공간 정렬과 는 달리 시스템 복잡성과 기계적 드리프트를 감소시킵니다. 이러한 모든 기능은 섬유 레이저를 임상 응용 분야에 이상적입니다. 사실, 모든 섬유 레이저는 낮은 유지 보수 작업을 위해 개발되었다3,4,5,모든 편광 유지 (PM) 섬유 레이저는 온도와 습도의 변화뿐만 아니라 기계적 진동2,6,7,8등의환경 요인에 안정적이다.
여기서, 시판되는 부품 및 표준 섬유 접합 기술을 이용한 비용 효율적인 fs 펄스 ANDi 섬유 레이저를 구축하는 방법이 제시된다. 펄스 반복 속도, 지속 시간 및 일관성(전체 모드 잠금)을 특성화하는 방법도 제공됩니다. 생성된 광섬유 레이저는 31MHz의 반복 속도와 1,060~ 1,070nm의 파장을 통해 70fs로 압축할 수 있는 모드 잠금 펄스를 생성합니다. 레이저 캐비티의 최대 전력 출력은 약 1W입니다. ANDi 섬유 레이저의 펄스 물리학은 포화 흡수기2,3,9,10,11의핵심 구성 요소로서 광섬유에 내재된 비선형 편광 진화를 우아하게 활용합니다. 그러나 이는 ANDi 설계가 PM 섬유를 사용하여 쉽게 구현되지 않음을 의미합니다(ANDi 모드 잠금의 모든 PM 파이버 구현이 보고되었지만, 낮은 전력 및 ps 펄스 지속 시간12임에도불구하고). 따라서 환경 안정성에는 상당한 엔지니어링이 필요합니다. Mamyshev 발진기와 같은 차세대 섬유 레이저 설계는 전체 PM-섬유 장치로서 전체 환경 안정성을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 넓은 펄스 스펙트럼13,14에의존하는 응용 프로그램을 가능하게 하기 위해 펄스 지속 시간의 현저한 감소를 제공할 뿐만 아니라, 이러한 혁신적인 새로운 fs 섬유 레이저 디자인의 사용자 정의 제작은 노하우와 섬유 접합 경험이 필요합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 설명 된 프로토콜은 수십 년 동안 레이저 물리학 실험실에서 일반적인 관행이었지만 많은 생물 의학 연구자에게 자주 익숙하지 않은 노하우와 전문 지식을 합성합니다. 이 작품은이 초고속 섬유 레이저 기술을 더 넓은 지역 사회에 더 쉽게 접근 할 수 있도록하려고합니다. ANDi 섬유 레이저 디자인은 와이즈와 동료3에의해 정액 작품에서 처음 개발된 바와 같이 잘 확립되?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
E. 크로닌-푸르만 박사와 M. 바이츠만(미주 과학 솔루션 그룹의 올림푸스 코퍼레이션)이 이미지 획득에 도움을 주신 것에 대해 감사드립니다. 이 작품은 건강 보조금 K22CA181611의 국립 연구소에 의해 지원되었다 (B.Q.S.에) 리처드와 수잔 스미스 가족 재단 (뉴턴, M.A.) 스미스 가족상 생물 의학 연구 우수 (B.Q.S.에).
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 |
Referências
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