Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie
Summary
Eine Methode wird vorgestellt, um einen benutzerdefinierten kostengünstigen, modusgesperrten Femtosekunden-Faserlaser für potenzielle Anwendungen in der Multiphotonenmikroskopie, Endoskopie und Fotomedizin zu entwickeln. Dieser Laser wird mit handelsüblichen Teilen und grundlegenden Spleißtechniken gebaut.
Abstract
Ein Protokoll wird vorgestellt, um einen benutzerdefinierten kostengünstigen und dennoch leistungsstarken Femtosekunden-Faserlaser (fs) zu erstellen. Dieser All-Normal-Dispersion (ANDi) Ytterbium-dotierte Faserlaser wird komplett aus handelsüblichen Teilen gebaut, darunter 8.000 US-Dollar in Faseroptik- und Pumpenlaserkomponenten sowie 4.800 US-Dollar in optischen Standardkomponenten und Extra-Cavity-Zubehör. Forscher, die neu in der Herstellung von Glasfasergeräten sind, können auch in Investitionen in grundlegende Faserspleiß- und Laserpulscharakterisierungsgeräte investieren (63.000 USD). Wichtig für eine optimale Laserbedienung, werden Methoden zur Überprüfung der tatsächlichen oder scheinbaren (teilweisen oder geräuschähnlichen) modusgesperrten Leistung vorgestellt. Dieses System erreicht eine Pulsdauer von 70 fs mit einer Mittleren Wellenlänge von ca. 1.070 nm und einer Pulswiederholungsrate von 31 MHz. Dieser Faserlaser zeigt die Spitzenleistung, die für ein leicht zu montierendes Faserlasersystem erzielt werden kann, was dieses Design ideal für Forschungslabors macht, die kompakte und tragbare fs-Lasertechnologien entwickeln wollen, die neue Implementierungen von klinische Multiphotonenmikroskopie und fs Chirurgie.
Introduction
Festkörper femtosekunden (fs) gepulste Laser sind weit verbreitet für die Mikroskopie und biologische Forschung verwendet. Ein typisches Beispiel ist die Verwendung der Multiphotonen-Anregung (MPE)-Fluoreszenzmikroskopie, bei der hohe Spitzenleistung und geringe Durchschnittsleistung gewünscht werden, um den MPE-Prozess zu erleichtern und gleichzeitig Photoschadenmechanismen zu minimieren. Viele Hochleistungs-Festkörperlaser sind im Handel erhältlich, und in Kombination mit einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) kann die Laserwellenlänge über einen weiten Bereich1abgestimmt werden. Beispielsweise erzeugen kommerzielle Oszillator-OPO-Systeme 1 W Durchschnittsleistung von 680 bis 1.300 nm. Die Kosten für diese kommerziellen abstimmbaren fs-Lasersysteme sind jedoch erheblich (> 200.000 USD), und Festkörpersysteme erfordern in der Regel eine Wasserkühlung und sind nicht für klinische Anwendungen tragbar.
Die ultrakurze gepulste Faserlasertechnologie ist in den letzten Jahren gereift. Die Kosten für einen kommerziellen fs gepulsten Faserlaser sind in der Regel deutlich niedriger als Festkörperlaser, wenn auch ohne die Fähigkeit der breiten Wellenlängenabstimmung, die von den oben genannten Festkörpersystemen ermöglicht wird. Beachten Sie, dass Faserlaser auf Wunsch mit OPOs gekoppelt werden können (d. h. Hybridfaser-Festkörpersysteme). Das große Flächen-Volumen-Verhältnis von Faserlasersystemen ermöglicht eine effiziente Luftkühlung2. Daher sind Faserlaser aufgrund ihrer relativ geringen Größe und ihres vereinfachten Kühlsystems tragbarer als Festkörpersysteme. Darüber hinaus reduziert das Fusionsspleißen der Faserkomponenten die Systemkomplexität und das mechanische Driften im Gegensatz zur Freiraumausrichtung der optischen Komponenten, aus der Festkörpergeräte bestehen. All diese Eigenschaften machen Faserlaser ideal für klinische Anwendungen. In der Tat, All-Faser-Laser wurden für wartungsarmen Betrieb entwickelt3,4,5, und All-Polarisation-Maintaining (PM)-Faser-Laser sind stabil gegenüber Umweltfaktoren einschließlich Änderungen der Temperatur und Feuchtigkeit sowie mechanische Vibrationen2,6,7,8.
Hier wird eine Methode zum Bau eines kostengünstigen fs gepulsten ANDi-Faserlasers mit handelsüblichen Teilen und Standard-Faserspleißtechniken vorgestellt. Es werden auch Methoden zur Charakterisierung von Pulswiederholungsrate, Dauer und Kohärenz (Vollmodussperre) vorgestellt. Der resultierende Faserlaser erzeugt modusgebundene Impulse, die mit einer Wiederholungsrate von 31 MHz und einer Wellenlänge von 1.060 bis 1.070 nm auf 70 fs komprimiert werden können. Die maximale Leistung der Laserhöhle beträgt ca. 1 W. Die Pulsphysik der ANDi-Faserlaser nutzt elegant die nichtlineare Polarisationsentwicklung, die der optischen Faser innewohnt, als Schlüsselkomponente des sättlichen Absorbers2,3,9,10,11. Dies bedeutet jedoch, dass das ANDi-Design nicht einfach mit PM-Faser implementiert werden kann (obwohl eine All-PM-Faserimplementierung der ANDi-Modus-Sperre gemeldet wurde, wenn auch mit geringer Leistung und ps-Pulsdauer12). Daher erfordert die Umweltstabilität erhebliches Engineering. Faserlaser-Designs der nächsten Generation, wie der Mamyshev-Oszillator, haben das Potenzial, vollständige Umweltstabilität als All-PM-Fasergeräte zu bieten, die in der Lage sind, die Intrakavitätenpulsenergie in der Größenordnung zu erhöhen, sowie eine signifikante Abnahme der Pulsdauer, um Anwendungen zu ermöglichen, die auf Breitpulsspektren13,14basieren. Die kundenspezifische Fertigung dieser innovativen neuen fs-Faserlaser-Designs erfordert Know-how und Faserspleißerfahrung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier skizzierten Protokolle synthetisieren Know-how und Know-how, das im Laserphysiklabor seit Jahrzehnten gängige Praxis ist, aber vielen biomedizinischen Forschern oft unbekannt ist. Diese Arbeit versucht, diese ultraschnelle Faserlasertechnologie für die breitere Community zugänglicher zu machen. Das ANDi Faserlaser-Design hat sich etabliert, wie es zuerst in wegweisenden Arbeiten von Wise und Kollegen3entwickelt wurde. Die Implementierung dieser Technologie durch andere Gruppen hat jedo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Drs. E. Cronin-Furman und M. Weitzman (Olympus Corporation of the Americas Scientific Solutions Group) für die Unterstützung beim Erstellen von Bildern. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health Grant K22CA181611 (zu B.Q.S.) und der Richard and Susan Smith Family Foundation (Newton, M.A.) unterstützt. Smith Family Award for Excellence in Biomedical Research (nach 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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