Lavpris Custom fabrikation og tilstand-låst drift af en all-normal-dispersion Femtosecond fiber laser til Multiphoton Microscopy
Summary
En metode er præsenteret for at bygge en brugerdefineret lavpris, mode-låst at fiber laser til potentielle anvendelser i multiphoton Microscopy, endoskopi, og Photomedicine. Denne laser er bygget ved hjælp af kommercielt tilgængelige dele og grundlæggende splejsning teknikker.
Abstract
En protokol præsenteres for at opbygge en brugerdefineret lav-cost endnu højtydende at (FS) fiber laser. Denne all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser er bygget helt ved hjælp af kommercielt tilgængelige dele, herunder $8.000 i fiberoptiske og pumpe laser komponenter, plus $4.800 i standard optiske komponenter og ekstra-hulrum tilbehør. Forskere nye til fiberoptisk enhed fabrikation kan også overveje at investere i grundlæggende fiber splejsning og laser Pulse karakterisering udstyr (~ $63.000). Vigtigt for optimal laser drift, metoder til at verificere true versus tilsyneladende (delvis eller støj-lignende) tilstand-låst præstation præsenteres. Dette system opnår 70 FS impuls varighed med en midterbølge længde på ca. 1.070 nm og en puls gentagelseshastighed på 31 MHz. Denne fiber laser udviser peak ydeevne, der kan opnås for en let monteret fiberlasersystem, hvilket gør dette design ideel til forskningslaboratorier til formål at udvikle kompakte og bærbare FS laser teknologier, der muliggør nye implementeringer af multifoton-mikroskopi og FS-kirurgi.
Introduction
Solid State at (FS) pulserede lasere er meget udbredt til mikroskopi og biologisk forskning. Et typisk eksempel er brugen af multifoton excitation (MPE) Fluorescens mikroskopi, hvor høj spidseffekt og lav gennemsnitlig effekt ønskes for at lette den MPE-processen, samtidig med at foto skade mekanismerne minimeres. Mange højtydende solid-state lasere er kommercielt tilgængelige, og når den kombineres med en optisk parametrisk oscillator (OPO), kan laser bølgelængden indstilles over en bred vifte1. For eksempel genererer kommercielle oscillator-OPO-systemer 1 W gennemsnitlig effekt fra 680 til 1.300 Nm. Men, omkostningerne ved disse kommercielle tunable FS laser systemer er betydelig (> $200000), og solid-state systemer generelt kræver vandkøling og er ikke bærbare til kliniske anvendelser.
Ultrashort pulserende fiber laserteknologi er modnet i de seneste par år. Omkostningerne ved en kommerciel FS pulserende fiber laser er typisk betydeligt lavere end solid-state lasere, omend uden mulighed for bred bølgelængde tuning ydes af solid-state systemer nævnt ovenfor. Bemærk, at fiberlasere kan parres med OPOs, når det ønskes (dvs. hybrid fiber-solid-state-systemer). Den store overflade-til-volumen forhold af fiberlasersystemer muliggør effektiv luftkøling2. Derfor fiberlasere er mere bærbare end solid-state systemer på grund af deres relativt lille størrelse og forenklet kølesystem. Desuden reducerer fusions splejningen af fiberkomponenterne systemkompleksitet og mekanisk drift i modsætning til den frie plads tilpasning af de optiske komponenter, som udgør Solid-State-enheder. Alle disse funktioner gør fiberlasere ideel til kliniske anvendelser. Faktisk, alle-fiberlasere er blevet udviklet til lav vedligeholdelse operation3,4,5, og All-polarisering-vedligeholdelse (PM)-fiberlasere er stabile til miljømæssige faktorer, herunder ændringer i temperatur og fugtighed samt mekaniske vibrationer2,6,7,8.
Her præsenteres en metode til at bygge en omkostningseffektiv FS pulserende ANDi fiber laser med kommercielt tilgængelige dele og standard fiber splejsning teknikker. Metoder til at karakterisere puls gentagelse sats, varighed, og sammenhæng (fuld tilstand-lås) er også præsenteret. Den resulterende fiber laser genererer tilstand-låste impulser, der kan komprimeres til 70 FS med en gentagelsesfrekvens på 31 MHz og en bølgelængde centreret ved 1.060 til 1.070 nm. Den maksimale effekt fra laser hulen er ca. 1 W. Den puls fysik af ANDi fiberlasere elegant udnytter ikke-lineære polarisering Evolution iboende til optisk fiber som en nøglekomponent i den mætnings absorberen2,3,9,10,11. Men det betyder, at ANDi design ikke er let implementeret ved hjælp af PM fiber (selv om en all-PM fiber implementering af ANDi mode-låsning er blevet rapporteret, omend med lav effekt og PS Pulse varighed12). Således kræver miljømæssig stabilitet betydelig ingeniørarbejde. Næste generations fiber laser design, såsom mamyshev oscillator, har potentialet til at tilbyde komplet miljømæssig stabilitet som all-PM-fiber enheder i stand til en Order-of-størrelses stigning i intracavity Pulse energi samt tilbyde betydelige fald i impuls varighed for at muliggøre applikationer, der er afhængige af bred puls Spectra13,14. Custom fabrikation af disse innovative nye FS fiber laser designs kræver knowhow og fiber splejsning erfaring.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollerne skitseret her syntetisere knowhow og ekspertise, der har været almindelig praksis i laserfysik laboratorium i årtier, men som ofte er ukendt for mange biomedicinske forskere. Dette arbejde forsøger at gøre denne ultrahurtig fiber laserteknologi mere tilgængelig for det bredere samfund. ANDi fiber laser design er veletableret, som først udviklet i skelsættende værker af Wise og kolleger3. Men, implementeringer af denne teknologi af andre grupper har undertiden resulteret i rap…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker DRs. E. Cronin-Furman og M. Weitzman (Olympus Corporation fra Americas Scientific Solutions Group) for at hjælpe med at erhverve billeder. Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health Grant K22CA181611 (til B.Q.S.) og Richard og Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith familie Award for topkvalitet inden for biomedicinsk forskning (til 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 |
Referências
- 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).
