用于多光子显微镜的全正常分散飞秒光纤激光器的低成本定制制造和模式锁定操作
Summary
提出了一种用于在多光子显微镜、内窥镜和光医学中的潜在应用，构建一种定制低成本、模式锁定的飞秒光纤激光器的方法。这种激光器采用市售零件和基本拼接技术制造。
Abstract
提出了一种构建定制低成本但高性能飞秒（fs）光纤激光器的协议。这种全正常分散 （ANDi） yttebium 掺杂光纤激光器完全使用市售部件制造，包括 8，000 美元的光纤和泵激光元件，以及 4，800 美元的标准光学元件和腔外附件。新加入光纤设备制造的研究人员也可能考虑投资基本光纤拼接和激光脉冲表征设备（63，000欧元）。对于最佳激光操作来说，重要的是提出了验证真与明显（部分或类似噪声）模式锁定性能的方法。该系统的脉冲持续时间为70 fs，中心波长约为1，070 nm，脉冲重复率为31 MHz。这种光纤激光器具有易于组装的光纤激光系统获得的最高性能，这使得该设计成为旨在开发紧凑和便携式 fs 激光技术的研究实验室的理想选择，从而实现临床多光子显微镜和fs手术。
Introduction
固态飞秒（fs）脉冲激光器广泛用于显微镜和生物学研究。一个典型的例子是使用多光子激发 （MPE） 荧光显微镜，其中高峰值功率和低平均功率需要促进 MPE 过程，同时最大限度地减少光损伤机制。许多高性能固态激光器都可用于商用，当与光学参数振荡器 （OPO） 结合使用时，激光波长可以在较宽的范围内调谐1。例如，商业振荡器-OPO 系统生成 1 W 平均功率（从 680 到 1，300 nm）。然而，这些商业可调fs激光系统的成本是可观的（>200，000美元），固态系统通常需要水冷却，并且不能用于临床应用。
超短脉冲光纤激光技术在过去几年中已经成熟。商用 fs 脉冲光纤激光器的成本通常明显低于固态激光器，尽管没有上述固态系统提供的宽波长调谐能力。请注意，光纤激光器可在需要时与 OPO 配对（即混合光纤固态系统）。光纤激光系统的表面体积比大，可实现高效的空气冷却2。因此，光纤激光器比固态系统更便携，因为它们的尺寸相对较小，冷却系统也比较简化。此外，光纤组件的融合拼接降低了系统复杂性和机械漂移，这与构成固态器件的光学元件的自由空间对齐不同。所有这些功能使光纤激光器成为临床应用的理想选择。事实上，全光纤激光器已经开发用于低维护操作3、4、5，全极化维持（PM）光纤激光器对环境因素稳定，包括温度和湿度的变化以及机械振动2、6、7、8。
本文介绍了一种利用市售零件和标准光纤拼接技术构建经济高效的fs脉冲ANDi光纤激光器的方法。提出了脉冲重复率、持续时间和相干性（全模式锁定）的表征方法。由此产生的光纤激光器产生模式锁定脉冲，可压缩至 70 fs，重复率为 31 MHz，波长中心为 1，060 至 1，070 nm。激光腔的最大功率输出约为 1 W。ANDi光纤激光器的脉冲物理优雅地利用光纤固有的非线性极化演化作为可饱和吸收器2、3、9、10、11的关键成分。然而，这意味着ANDi设计不容易实现使用PM光纤（尽管已经报道了ANDi模式锁定的全PM光纤实现，尽管功耗低，ps脉冲持续时间为12）。因此，环境稳定性需要大量的工程。下一代光纤激光设计，如Mamyshev振荡器，有潜力提供完整的环境稳定性，因为全PM光纤器件能够增加一个数量级的腔内脉冲能量，并提供显著减少的脉冲持续时间，使应用依赖于宽脉冲光谱13，14。定制这些创新的fs光纤激光设计需要技术和光纤拼接经验。
Protocol
Representative Results
Discussion
这里概述的协议综合了激光物理实验室几十年来常见的专业知识和专业知识，但许多生物医学研究人员往往不熟悉这些知识。这项工作试图使这种超高速光纤激光技术更容易为更广泛的社区所利用。ANDi光纤激光设计是成熟的，首先由怀斯和同事的开创性作品3开发。然而，其他群体实施这项技术有时导致激光器不能正常工作的报告，这表明有必要进一步教育生物医学研究人员脉?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢克罗宁-富尔曼博士和M.魏茨曼博士（奥林巴斯公司，美洲科学解决方案集团）在获取图像方面给予协助。这项工作得到了国家卫生研究院授予K22CA181611（到B.Q.S.）和理查德和苏珊史密斯家庭基金会（牛顿，M.A.）的支持。史密斯家族生物医学研究卓越奖（至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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