Låg kostnad Custom Fabrication och mode-låst drift av en all-normal-dispersion Femtosecond fiber laser för Multiphoton Microscopy
Summary
En metod presenteras för att bygga en anpassad låg kostnad, mode-låst femtosecondlaser fiber laser för potentiella tillämpningar i multiphoton mikroskopi, endoskopi, och photomedicine. Denna laser är byggd med kommersiellt tillgängliga delar och grundläggande skarvning tekniker.
Abstract
Ett protokoll presenteras för att bygga en anpassad låg kostnad ännu högpresterande femtosecondlaser (FS) fiber laser. Denna all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser byggs helt med kommersiellt tillgängliga delar, inklusive $8 000 i fiberoptik och pump laserkomponenter, plus $4 800 i standard optiska komponenter och extra-hålrum tillbehör. Forskare nya till fiberoptisk enhet tillverkning kan också överväga att investera i grundläggande fiber skarvning och laserpuls karakteriseringsutrustning (~ $63 000). Viktigt för optimal laser drift, metoder för att kontrollera sann kontra uppenbar (partiell eller brusliknande) läge-låst prestanda presenteras. Detta system uppnår 70 FS puls varaktighet med en mittvåglängd på cirka 1 070 nm och en pulsrepetitionsfrekvens på 31 MHz. Denna fiber laser uppvisar Peak Performance som kan erhållas för en lätt sammansatt fiber lasersystem, vilket gör denna design idealisk för forskningslaboratorier som syftar till att utveckla kompakta och bärbara FS laserteknik som möjliggör nya implementeringar av klinisk multiphotonmikroskopi och FS-kirurgi.
Introduction
Solid State femtosecondlaser (FS) pulsade lasrar används ofta för mikroskopi och biologisk forskning. Ett typiskt exempel är användningen av multifotonexcitation (MPE) fluorescens Microscopy, där hög toppeffekt och låg genomsnittlig effekt önskas för att underlätta den största tillåtna fel-processen och samtidigt minimera photodamage mekanismer. Många högpresterande solid-state lasrar är kommersiellt tillgängliga, och i kombination med en optisk parametriska oscillator (OPO), laser våglängd kan stämmas över ett brett spektrum1. Till exempel, kommersiella oscillator-OPO system generera 1 W genomsnittlig effekt från 680 till 1 300 nm. Men kostnaden för dessa kommersiella avstämbara FS lasersystem är betydande (> $200000), och solid-state system kräver i allmänhet vattenkylning och är inte portabla för kliniska tillämpningar.
Ultrashort pulsad fiberlaserteknik har mognat under de senaste åren. Kostnaden för en kommersiell FS pulsad fiber laser är typiskt betydligt lägre än solid-state lasrar, om än utan förmåga att breda våglängd tuning ges av Solid-State system som nämns ovan. Observera att fiber lasrar kan paras ihop med OPOs när så önskas (dvs hybrid fiber-Solid-State system). Det stora förhållandet mellan yta och volym på fiber lasersystem möjliggör effektiv luftkylning2. Därför är fiber lasrar mer portabla än Solid-State-system på grund av deras relativt liten storlek och förenklad kylsystem. Vidare, fusion skarvning av fiber komponenter minskar systemets komplexitet och mekanisk drift i motsats till fri-Space justering av de optiska komponenter som utgör solid state-enheter. Alla dessa funktioner gör fiber lasrar idealiska för kliniska tillämpningar. I själva verket, all-fiber lasrar har utvecklats för lågt underhåll operation3,4,5, och all-polarisering-underhålla (PM)-fiber lasrar är stabila på miljömässiga faktorer, inklusive förändringar i temperatur och luftfuktighet samt mekaniska vibrationer2,6,7,8.
Här presenteras en metod för att bygga en kostnadseffektiv FS pulsad ANDi fiber laser med kommersiellt tillgängliga delar och standard fiber skarvning tekniker. Metoder för att karakterisera puls repetitionshastighet, varaktighet och samstämmighet (full mode-lock) presenteras också. Den resulterande fiber laser genererar mode-låsta pulser som kan komprimeras till 70 FS med en repetitionsfrekvens på 31 MHz och en våglängd centrerad på 1 060 till 1 070 nm. Den maximala uteffekten från laser hålet är ca 1 W. Pulsen fysik ANDi fiber lasrar elegant utnyttjar ickelinjär polarisering evolution inneboende till optisk fiber som en viktig del av den mättbara absorbator2,3,9,10,11. Detta innebär dock att ANDi designen inte är lätt att genomföra med hjälp av PM fiber (även om en all-PM fiber genomförandet av ANDi läge-låsning har rapporterats, om än med låg effekt och PS Pulse varaktighet12). Därför kräver miljö stabilitet betydande ingenjörskonst. Nästa generations fiber laser konstruktioner, såsom mamyshev oscillator, har potential att erbjuda fullständig miljö stabilitet som all-PM-fiber enheter som kan en storleksordning ökning av intracavity pulsenergi samt erbjuder betydande minskningar i puls varaktighet för att möjliggöra program som förlitar sig på bred puls Spectra13,14. Custom Fabrication av dessa innovativa nya FS fiber laser design kräver know-how och fiber skarvning erfarenhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
De protokoll som beskrivs här syntetisera kunnande och expertis som har varit vanlig praxis i laserfysik laboratoriet i årtionden, men som ofta är obekanta för många biomedicinska forskare. Detta arbete försöker göra denna ultrasnabbt fiberlaserteknik mer tillgänglig för det bredare samhället. Den ANDi fiber laser design är väl etablerad, som först utvecklades i nyskapande verk av Wise och kollegor3. Men implementeringar av denna teknik av andra grupper har ibland resulterat i rappor…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar DRS. E. Cronin-Furman och M. Weitzman (Olympus Corporation i Americas Scientific Solutions Group) för hjälp med att förvärva bilder. Detta arbete stöddes av National Institutes of Health Grant K22CA181611 (till B.Q.S.) och Richard och Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Smith Family Award för excellens i biomedicinsk forskning (till 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).
