Fabricación personalizada de bajo costo y operación bloqueada por modo de un láser de fibra Femtosecond de dispersión normal para microscopía multifotón
Summary
Se presenta un método para construir un láser de fibra de femtosegundo de bajo costo y bloqueado en modo para aplicaciones potenciales en microscopía multifotona, endoscopia y fotomedicina. Este láser se construye utilizando piezas disponibles comercialmente y técnicas básicas de empalme.
Abstract
Se presenta un protocolo para construir un láser de fibra femtosegundo (fs) personalizado de bajo costo pero de alto rendimiento. Este láser de fibra dopada con ytterbium de dispersión normal (ANDi) se construye completamente utilizando piezas disponibles en el centro comercial, incluyendo $8,000 en componentes láser de fibra óptica y bomba, además de $4,800 en componentes ópticos estándar y accesorios de cavidad extra. Los investigadores nuevos en la fabricación de dispositivos de fibra óptica también pueden considerar invertir en equipos básicos de empalme de fibra y caracterización por pulsos por láser (63.000 dólares). Importante para un funcionamiento óptimo del láser, se presentan métodos para verificar el rendimiento bloqueado del modo verdadero frente a aparente (parcial o similar al ruido). Este sistema alcanza una duración de pulso de 70 fs con una longitud de onda central de aproximadamente 1.070 nm y una velocidad de repetición de pulsos de 31 MHz. Este láser de fibra exhibe el máximo rendimiento que se puede obtener para un sistema láser de fibra fácilmente ensamblado, lo que hace que este diseño sea ideal para laboratorios de investigación con el objetivo de desarrollar tecnologías láser fs compactas y portátiles que permitan nuevas implementaciones de microscopía clínica multifotona y cirugía fs.
Introduction
Los láseres pulsados de femtosegundode segundo (fs) de estado sólido se utilizan ampliamente para la microscopía y la investigación biológica. Un ejemplo típico es el uso de la microscopía de fluorescencia de excitación multifozona (MPE), donde se desea una alta potencia máxima y una baja potencia media para facilitar el proceso de MPE y minimizar los mecanismos de fotodaño. Muchos láseres de estado sólido de alto rendimiento están disponibles comercialmente, y cuando se combina con un oscilador paramétrico óptico (OPO), la longitud de onda láser se puede ajustar en un amplio rango1. Por ejemplo, los sistemas de oscilador comercial-OPO generan duraciones de pulso 1 W de 680 a 1.300 nm. Sin embargo, el costo de estos sistemas láser fs ajustables comerciales es significativo (>$200.000), y los sistemas de estado sólido generalmente requieren refrigeración por agua y no son portátiles para aplicaciones clínicas.
La tecnología láser de fibra pulsada ultracorta ha madurado en los últimos años. El costo de un láser de fibra pulsada fs comercial es típicamente significativamente menor que los láseres de estado sólido, aunque sin la capacidad de ajuste de longitud de onda amplia que ofrecen los sistemas de estado sólido mencionados anteriormente. Tenga en cuenta que los láseres de fibra se pueden emparejar con OpO cuando se desee (es decir, sistemas híbridos de estado sólido de fibra). La gran relación superficie-volumen de los sistemas láser de fibra permite una refrigeración eficiente del aire2. Por lo tanto, los láseres de fibra son más portátiles que los sistemas de estado sólido debido a su tamaño relativamente pequeño y sistema de refrigeración simplificado. Además, el empalme por fusión de los componentes de fibra reduce la complejidad del sistema y la deriva mecánica en contraste con la alineación del espacio libre de los componentes ópticos que componen los dispositivos de estado sólido. Todas estas características hacen que los láseres de fibra sean ideales para aplicaciones clínicas. De hecho, los láseres de fibra toallo se han desarrollado para la operación de bajo mantenimiento3,4,5, y todo-polarización-mantenimiento (PM) láseres de fibra son estables a factores ambientales incluyendo cambios en la temperatura y la humedad, así como vibraciones mecánicas2,6,7,8.
Aquí, se presenta un método para construir un láser de fibra ANDi pulsada fs rentable con piezas disponibles comercialmente y técnicas de empalme de fibra estándar. También se presentan métodos para caracterizar la velocidad de repetición de pulsos, la duración y la coherencia (bloqueo de modo completo). El láser de fibra resultante genera pulsos con bloqueo de modo que se pueden comprimir a 70 fs con una velocidad de repetición de 31 MHz y una longitud de onda centrada en 1.060 a 1.070 nm. La potencia máxima de salida de la cavidad láser es de aproximadamente 1 W. La física de pulsos de los láseres de fibra ANDi utiliza elegantemente la evolución de la polarización no lineal intrínseca a la fibra óptica como componente clave del absorbedor saturable2,3,9,10,11. Sin embargo, esto significa que el diseño ANDi no se implementa fácilmente utilizando fibra PM (aunque se ha informado de una implementación de fibra de todas las PM de bloqueo de modo ANDi, aunque con baja potencia y duración del pulso ps12). Por lo tanto, la estabilidad ambiental requiere una ingeniería significativa. Los diseños láser de fibra de última generación, como el oscilador Mamyshev, tienen el potencial de ofrecer una estabilidad ambiental completa como dispositivos de fibra de PM capaces de un aumento del orden de magnitud en la energía de pulso sin máquina, así como ofrecer disminuciones significativas en la duración del pulso para permitir aplicaciones que se basan en amplios espectros depulsos 13,14. La fabricación personalizada de estos nuevos e innovadores diseños láser de fibra fs requiere conocimientos y experiencia de empalme de fibra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los protocolos descritos aquí sintetizan el know-how y la experiencia que han sido una práctica común en el laboratorio de física láser durante décadas, pero que con frecuencia no es familiar para muchos investigadores biomédicos. Este trabajo intenta hacer que esta tecnología láser de fibra ultrarrápida sea más accesible para la comunidad en general. El diseño láser de fibra ANDi está bien establecido, como se desarrolló por primera vez en trabajos seminales por Wise y sus colegas3.</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a los Doctores E. Cronin-Furman y M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) por su ayuda en la adquisición de imágenes. Este trabajo fue apoyado por la Beca de los Institutos Nacionales de Salud K22CA181611 (a B.Q.S.) y la Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) Premio Smith Family a la Excelencia en Investigación Biomédica (a 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 |
References
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