Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie

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.

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.

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 <120 fs Pulsdauern (in der Regel mit einer Impulswiederholungsrate von 80 MHz) und >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 entwickelt^3,4,5, und All-Polarisation-Maintaining (PM)-Faser-Laser sind stabil gegenüber Umweltfaktoren einschließlich Änderungen der Temperatur und Feuchtigkeit sowie mechanische Vibrationen^2,6,7,8.

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 Absorbers^2,3,9,10,11. 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 Breitpulsspektren^13,14basieren. Die kundenspezifische Fertigung dieser innovativen neuen fs-Faserlaser-Designs erfordert Know-how und Faserspleißerfahrung.

1. Splice Single Mode Fasern (SMF)

HINWEIS: Abschnitt 1 besteht aus allgemeinen Schritten zum Spleißen von SMFs. Dies ist ein nicht wesentlicher, aber empfohlener Schritt zum Üben von Faserspleißen mit preiswerten Fasern. Dieser Schritt gewährleistet die ordnungsgemäße Leistung der Spleißgeräte, bevor wertvollere Glasfasermaterialien verwendet werden.

1. Cleave die erste Faser.
   1. Ca. 30 mm der Faser mit einem Faserabisolierwerkzeug abstreifen. Bei zerbrechlichen Fasern (z.B. doppelverkleideten Fasern) kann eine Rasierklinge verwendet werden, um den Puffer vorsichtig abzuschälen.
   2. Verwenden Sie fusselfreies Gewebe mit Ethanol oder Isopropanol, um die abgestreifte Faser zu reinigen. Ein brummendes Geräusch beim Abwischen der Faser zeigt an, dass die Faser ausreichend sauber ist.
   3. Legen Sie den Faserhalter auf den Faserspalter. Stellen Sie sicher, dass die Klinge, die Faserklemme des Cleavers und der Faserhalter alle sauber sind. Wattestäbchen mit Alkohol können verwendet werden, um diese Teile des Cleavers zu reinigen.
   4. Laden Sie die Faser vorsichtig in den Faserhalter. Lassen Sie ca. 25 mm abgestreifte, saubere Faser am freien Ende für den Cleaver zu klemmen.
   5. Schließen Sie die Faserklemme vorsichtig am Cleaver. Um zusätzliche Spannung auf die Faser zu vermeiden, öffnen Sie die Klemme erneut und schließen Sie sie, so dass die Spannung gelöst wird.
   6. Drücken Sie die "Cut"-Taste und der Cleaver spaltet die Faser automatisch.
      HINWEIS: Um sicherzustellen, dass die Faser sauber bleibt, sollte nichts die Faserspitze nach dem Cleaving berühren.
   7. Übertragen Sie den Faserhalter auf den Fusionsspleißer. Verwenden Sie eine Pinzette, um das von der Faser abgeschnittene Stück in einen scharfen Entsorgungsbehälter zu bewegen.
      VORSICHT: Harte Pinzette und scharfe Pinzettenspitzen können die Faser brechen. Eine geeignete Pinzette für den Umgang mit Glasfasern sollte Kunststoff-, abgerundete Spitzen haben.
2. Cleave die zweite Faser.
   1. Wiederholen Sie Schritt 1.1 auf der zweiten Faser mit dem anderen Faserhalter. Die beiden zu spleißenden Fasern sollten mit den spaltenden Enden, die von den Faserhaltern innerhalb des Faserspleißers gegeneinander gehalten werden, geklammert werden.
   2. Schließen Sie die Abdeckung des Spleißers.
3. Fusion spleißen die Fasern.
   1. Richten Sie die Parameter am Fusionsspleißer ein, einschließlich Kerndurchmesser, Modusfelddurchmesser (MFD) und Verkleidungsdurchmesser. Legen Sie die Ausrichtungsmethode auf Cladding fest.
   2. Drücken Sie die Starttaste, und der Spleißer wird automatisch ausgerichtet.
      HINWEIS: Es ist möglich, Fehlermeldungen in Bezug auf eine schlechte Spaltenform oder einen großen Spaltenwinkel zu erhalten. Dies ist in der Regel auf eine schlechte Spalte oder Kontamination der Faser nach dem Spalten zurückzuführen. Wiederholen Sie in diesem Fall den Faserabweilvorgang.
   3. Drücken Sie die Starttaste an jeder Haltestelle, um die Qualität des Spleißes zu bestätigen. Der Spleiß wird automatisch durchgeführt.
   4. Überprüfen Sie die Qualität des Spleißes durch die vom Spleißen durchgeführten Qualitätskontrollen sowie über die Kameraansicht des Spleißbereichs. Ein guter Spleiß hat eine gleichmäßige Verkleidungsgrenze und gleichmäßige Helligkeit entlang der Faser, so dass keine Spleiß-Kreuzung sichtbar ist.
      HINWEIS: Faserspleißer enthalten häufig Optiken, um den Spleiß zu untersuchen und den Leistungsverlust basierend auf der gemessenen Geometrie, Form und Lichtbrechung durch die Faser zu schätzen, wobei eine Quelle senkrecht zur Faser verwendet wird, um das Spleißgelenk anzuzeigen, abzubilden und zu analysieren. Natürlich ist dies nur eine Schätzung, aber in den meisten Fällen reicht sie aus. Bei identischen Fasern schätzt der Spleißer diesen Verlust auf 0 dB (d.h. keinen nachweisbaren Verlust). Aus den vorherigen Ergebnissen mit den unten beschriebenen unterschiedlichen Faserspleißen reichen die Spleißerschätzungen der Leistungsverluste von 0,07 dB (Spleißpunkte B und C, Abbildung 1) bis 0,3 dB (Spleißpunkt D). Diese Schätzungen überschätzen höchstwahrscheinlich den Verlust aufgrund nicht übereinstimmender Geometrie und Brechung der unterschiedlichen Faseroptik, die fälschlicherweise als defekte Objekte erscheinen.
   5. Öffnen Sie die Spleißabdeckung, und öffnen Sie dann einen der Faserhalter. Der andere Faserhalter sollte erst geöffnet werden, wenn die gespleißte Faser aus dem Spleißer entfernt ist.
   6. Optional kann eine Faserhülse hinzugefügt werden, um den Spleiß zu schützen. Die Heizung an der Spleißer kann verwendet werden, um die Hülse auf die Faser zu formen. Alternativ kann eine Heißluftpistole verwendet werden.
      HINWEIS: Wenn die beiden Fasern sehr lang sind oder an anderen Komponenten befestigt sind, sollte die Hülse vor dem Abkleben auf eine der Fasern gelegt werden, und dann kann sie zum Spleißpunkt bewegt werden. Die Faserhülse wirkt wie ein Schrumpfrohr in elektronischen Schaltungen. Es kann verwendet werden, um den Spleißpunkt vor einer Biege- oder Zugkraft zu schützen. Ein Faserlackierer kann stattdessen verwendet werden, um den Spleißpunkt zum maximalen Schutz des Spleißpunkts vor mechanischen Beschädigungen neu zu beschichten, wenn auch mit erheblichem Mehraufwand, da dieses Gerät gekauft werden muss, wenn es nicht ohne weiteres verfügbar ist.

2. Montieren Sie die Faserteile

1. Spleißen Sie die Pumpenausgangsfaser <1> mit dem Pumpeneingang <2> des Pumpensignalkombinats (siehe Faserlaserdiagramm, Abbildung 1).
   1. Folgen Sie Abschnitt 1, um die Fasern zu spalten und zu spleißen. Verwenden Sie die Standardeinstellung des Programms BASIC I SP, mit Ausnahme der Faserparameter (2-A und 2-B), die manuell eingegeben werden müssen. Die zu spleißenden Spleißparameter finden Sie in Tabelle 1.
2. Spleißen Sie die Combiner-Ausgabe <3> an die Yb-dotierte aktive Faser.
   1. Folgen Sie Schritt 1.1, um die Combiner-Ausgangsfaser <3> zu spalten.
   2. Cleave die aktive Faser <4>.
      HINWEIS: Da die aktive Faser <4> eine achteckige Verkleidung hat, passt sie nicht in die V-Nut des Faserspalters. Daher ergibt ein einfacher Spalten, wie in Schritt 1.1 beschrieben, einen relativ großen Spaltenwinkel. So werden in den folgenden Schritten ein spezielles Protokoll beschrieben, um einen flachen Spaltenwinkel mit der gleichen Ausrüstung zu erreichen.
      1. Folgen Sie Abschnitt 1, um die aktive Faser <4> und ein Stück 6/125 SMF zu spalten und zu spleißen. Diese SMF wird später entfernt und nicht in den Laser integriert. Daher ist es akzeptabel, wenn die Qualität dieses Spaltenwinkels schlecht ist. Es ist nicht wichtig, einen flachen Spaltenwinkel für diesen Schritt zu erhalten.
      2. Schneiden Sie die SMF ca. 2 cm vom Spleißpunkt mit einem Drahtschneider ab.
      3. Entfernen Sie die gesamte Länge der SMF, und streifen Sie die aktive Faser für weitere 0,5 cm. Jetzt ist die aktive Faser mit 2 cm pufferlosem SMF gekrönt.
      4. Laden Sie die aktive Faser wie in den Schritten 1.1.3-1.1.5 in den Cleaver. Stellen Sie sicher, dass nur die SMF, die eine kreisförmige Verkleidung hat, durch die Faserklemme geklemmt wird.
      5. Befolgen Sie die Schritte 1.1.6 und 1.1.7, um die aktive Faser <4> zu spalten. Da sich nur die SMF in der V-Nut befindet, ergibt dieser Spaltenwert einen minimalen Spaltenwinkel.
   3. Folgen Sie Schritt 1.3, um die Fasern zu spleißen.
3. Messen Sie grob die Gesamtleistung vom distalen Ende der aktiven Faser <4>.
   1. Schneiden Sie die aktive Faser <4> auf 3 m vom Spleißpunkt ab. Längere aktive Fasern können für eine höhere Ausgangsleistung verwendet werden, aber die Wiederholungsrate wird durch die Erhöhung der Hohlraumlänge reduziert.
   2. Cleave the end <4C> as mentioned in step 1.1.
      HINWEIS: Da die Leistungsmessung im nächsten Schritt geschätzt wird, ist es nicht erforderlich, die in Schritt 2.2.2 genannte Methode zu verwenden.
   3. Richten Sie die Faser auf den Leistungsmesser und bringen Sie den Faser- und Leistungsmesser ohne physischen Kontakt zusammen.
      WARNUNG: Wenn Sie die Faserspitze zu nah am Leistungsmesser setzen, wird möglicherweise der Leistungsmessersensor beschädigt, da die Lichtleistung auf einen kleinen Punkt am Sensor konzentriert ist. Um dies zu vermeiden, verwenden Sie eine minimale zuverlässige Pumpenleistung.
   4. Lesen Sie die Leistung vom Leistungsmesser. Eine große (>80%) Der Effizienzdurchsatz zeigt an den Punkten und ausreichende Qualitätspleiße an.
      HINWEIS: Es ist normal, dass aufgrund der Absorption der aktiven Faser und aufgrund der Ineffizienz der Kopplungsmethode an das Leistungsmesser, wie in den Schritten 2.3.2 bis 2.3.3 erwähnt, ein gewisser Leistungsverlust aufgetreten ist.
4. Spleißen Sie die aktive Faser <4> an den Eingang <5> des Kollimators .
   1. Folgen Sie Schritt 2.2.2, um die aktive Faser <4> am Ende zu spalten, um auf den Kollimator gespleißt zu werden.
   2. Schneiden Sie die Eingabe <5> des Kollimators auf ca. 40 cm.
      HINWEIS: Die Länge der passiven Faser (<5>) sollte nicht zu lang sein (>40 cm), da sich der verstärkte Puls in der Zeit und der Spektraldomäne aufgrund erhöhter Selbstphasenmodulation (SPM) und Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) erheblich vergrößert. durch die Verstärkungsfaser (Pulsverstärkung). Diese Effekte erhöhen die Schwierigkeit der Pulskompression.
   3. Befolgen Sie die Schritte 1.1 und 1.3, um den Kollimatoreingang <5> zu spalten und die aktiven und kollimatoren Fasern zu spleißen.
      HINWEIS:Dieser Spleiß Spleiß einer doppelt verkleideten Faser zu einer SMF kann von einer niedrigeren Qualität als die vorherigen Spleiße sein. Die tatsächliche Leistung hängt jedoch nur von der Kernausrichtung ab, da sich der Impuls innerhalb des Kerns ausbreitet.
5. Spleißfaser <6> des zweiten Kollimators an die Signaleingangsfaser <7> des Kombinierers.
   1. Folgen Sie Abschnitt 1, um die Fasern zu spalten und zu spleißen.

3. Montieren Sie die Faserteile am optischen Tisch

Es ist wichtig, den modusgesperrten Betrieb nach Abschluss der Faserlaser-Fertigungsverfahren zu überprüfen. Die Signaturen der optimalen fs-Pulserzeugung und Laserstabilität sind wie folgt: Zunächst kann der Ausgangsimpuls durch die in Schritt 6 skizzierte Instrumentierung ausreichend charakterisiert sein. Der Pulsspektrumausgang des Laseroszillators sollte in der Nähe von 1.070 nm mit der charakteristischen Katzenohr- oder Batman-Form zentriert werden, die die Modussperrung anzeigt, wie durch numerische Simulation der ANDi-Pulsphysik¹⁵ vorhergesagt (Abbildung 2A). Obwohl das charakteristische Spektrum ein ausgezeichneter Indikator für die Pulskohärenz ist, sind zusätzliche Tests gerechtfertigt, um eine vollständige Modusverriegelung, Stabilität und die erwartete Laserleistung zu gewährleisten. Als weitere Diagnose für die Modusverriegelung werden die Pulsdauer und die Pulswiederholungsleistungsspektren mit dem Autokorrelator bzw. DEM HF-Spektrumanalysator gemessen. Für beide Messungen wird bei modusgesperrten Messungen ein einziger Peak ohne Sockel erwartet. Während der Autokorrelationsmessungen kann das Gitterpaar auf Eine Pulskompression abgestimmt werden. Es wurden Pulsdauern von 70 fs (Vollbreiten-Halbmaximum) gemessen (Abbildung 2B). Diese dechirped Pulsdauer nähert sich der geschätzten transformierten begrenzten Kompression des aktuellen Laserdesigns: Die Transformationsgrenze wird mit dem gemessenen Pulsspektrum berechnet. Zweitens kann die Pulsstabilität durch kontinuierliche Überwachung der durchschnittlichen Ausgangsleistung und des Pulsspektrums getestet werden. Die Leistungsdrift beträgt weniger als 3,5 % über 24 h(Abbildung 2C) ohne aktive Kühlung, wenn das Laser-Setup auf einem schwebenden optischen Tisch mit Vibrationsdämpfung montiert ist. Dieses Maß an Stabilität ist für viele bildgebende Experimente ausreichend. Das System bleibt dann stabil und startet sich für mehr als eine Woche, wenn es heruntergefahren wird. Die Freiraumkomponenten durchlaufen mechanische Drift und die Modus-Sperre geht nach einigen Wochen verloren, aber die Modusverriegelung kann oft durch geringfügige Anpassungen der Wellenplatten, wie in Schritt 6 beschrieben, wieder hergestellt werden.

Sobald die Modussperre überprüft ist, ist es auch wichtig, die Bildgebungsleistung bei praktischen MPE- und nichtlinearen Mikroskopieexperimenten mit einfachen Testziel- und biologischen Proben zu testen. Beispielsweise kann der benutzerdefinierte Faserlaserausgang in ein kommerzielles Laserscanmikroskop für die Zwei-Photonen-Anregung (2PE) Fluoreszenz-Bildgebung geleitet werden (Abbildung 3A). Beachten Sie, dass der Extra-Hohlraum-Isolator, obwohl verlustbehaftet, notwendig ist, um zu verhindern, dass Rückreflexionen aus der Mikroskopoptik in den Laseroszillator gelangen. Diese Rückreflexionen unterbrechen häufig die Modusverriegelung und die Fluoreszenzsignalerzeugung während der Bildgebung. Hier wurde ein Test mit einem kommerziellen konfokalen Laserscanmikroskop und einem gescannten Detektor mit einem Lochaufeingestellt auf die maximale Größeneinstellung durchgeführt, um das gesammelte Fluoreszenzsignal zu erhöhen. Eine einfache Testprobe für die Mikroskopie ist die Messung einer Fluoreszenzfarbstofflösung. Ein erstes Mikroskopieexperiment besteht darin, das Fluoreszenzfarbstoffsignal bei der Einstellung der Pulsleistung mit einer Reihe von Neutraldichtefiltern zu messen. Dadurch wird überprüft, ob das Fluoreszenzsignal quadratisch von der Laserleistung abhängig ist, die an die Probenebene geliefert wird (Abbildung 3B), was die erwartete Antwort für 2PE ist. Als nächstes können Bilder biologischer Proben beispielsweise mit nichtlinearer 2PE-Gewebe-Autofluoreszenz (siehe Abbildung 3C, einer ungefärbten, festen Solegarnelenprobe) sowie der zweiten harmonischen Generation (SHG) aus Kollagenfibrillen und 2PE extrinsischen fluoreszierenden Flecken (siehe Abbildung 3D, eine frisch ausgeschnittene Hähnchengewebeprobe, gefärbt mit Rhodamin B) gesammelt werden. Als zusätzliche Überprüfung von 2PE wurden gesammelte 2PE-Hyperspektralbilder von mehrfarbigen fluoreszierenden Mikrosphären-Testzielen mit hyperspektralen Bildern verglichen, die durch lineare Anregung mit kommerziellen Diodenlasern aufgenommen wurden (Abbildung 4). Die Single-Photon-Erregungs- und 2PE-Fluoreszenzspektren wurden analysiert und für zwei der Mikrosphärenfarben verglichen, die zwei Fluoreszenzfarbstoffen entsprechen, die separat durch kommerzielle, kontinuierliche Wellenlaser 514 nm und 594 nm anregen. Die fluoreszenzspektren, die durch den kundenspezifischen Laser angeregt werden, sind identisch mit den Spektren, die mit den kommerziellen Kontinuierlichen Wellenlasern (Single-Photon-Erregung) aufgenommen wurden. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass der benutzerdefinierte fs-Faserlaser Impulse mit ausreichender Spitzenleistung und Gleichmäßigkeit erzeugt, um 2PE-Fluoreszenz und SHG zu erzeugen.

Abbildung 1: Schemader des benutzerdefinierten Faserlaser- und Pulscharakterisierungs-Setups. Die nummerierten schwarzen Linien 1 und 2 zeigen den Pumpenlaserausgang an. Die nummerierten schwarzen Linien 3-7 zeigen Intrakavitätsfasern mit der Länge jeder Faser zwischen den in Metern angegebenen Spleißpunkten an. Die nicht nummerierten schwarzen Linien weisen auf Extra-Hohlraumfasern hin. Die Kreuzmarkierungen (x) zeigen Spleißpunkte an. Die roten Linien sind Freiraum-Lichtpfade. Die dicke schwarze Linie zwischen dem OSC und der Photodiode (PD) weist auf ein BNC-Kabel hin. Der HF-Spektrumanalysator, der bei der Verwendung die gleiche Position wie der OSC einnimmt, wird in der Abbildung nicht angezeigt, da der HF-Spektrumanalysator mit dem BNC-Anschluss in das Setup für das OSC ausgetauscht werden kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Die Ergebnisse der Lasercharakterisierung. (A) Das Spektrum des Ausgangsimpulses aus der Modussperrung im Vergleich zur numerischen Simulation. (B) Das Intensitäts-Autokorrelationssignal des dechirped Impulses im Vergleich zur numerischen Simulation der Transformationsgrenze. (C) Die Ausgangsleistung des Lasers bei zwei 24 h Stabilitätstests. (Angepasst von Davoudzadeh et. al.¹⁷) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Die Ergebnisse der MPE-Mikroskopie-Leistungstests. (A) Schematic des kundenspezifischen Faserlasers mit seiner Leistung, die in ein kommerzielles konfokales Mikroskop geleitet wird. (B) Das Log-Log-Diagramm, das die quadratische Abhängigkeit des MPE-Fluoreszenzsignals als Funktion der Laserausgangsleistung demonstriert, gemessen mit einer Lösung von Fluoreszenzfarbstoff. (C) 2PE Autofluoreszenzbild einer ungefärbten und festen Solegarnelenprobe mit dem benutzerdefinierten fs Faserlaser. (D) SHG (Cyan) von Kollagenfibrillen und 2PE-Fluoreszenz (Magenta) von Rhodamin B-gebeizten Zellen aus einem frisch ausgeschnittenen Hühnergewebe mit dem kundenspezifischen fs Faserlaser. Maßstabsbalken = 50 m . (Angepasst von Davoudzadeh et.^{al. 17}) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Ein Vergleich von 2PE-Fluoreszenz mit dem benutzerdefinierten fs-Faserlaser mit Einzelphotonen-Anregung (1PE) mit kommerziellen Diodenlasern. (A) Ein mehrkanaliges 1PE-Bild von spektral unterschiedlichen Mikroperlen mit mehreren verschiedenen Diodenlasern (Links; 1PE-Wellenlängen sind in nm aufgeführt.) Das fluoreszierende Intensitätsprofil der gleichen Perlen, die von einem 514 nm Diodenlaser (Mitte) und dem benutzerdefinierten fs Faserlaser (rechts) angeregt werden. Skalenstäbe = 50 m (B) Die normalisierten Spektren von grünen (links) und roten (rechts) Perlen, die vom Diodenlaser im Vergleich zum benutzerdefinierten fs-Faserlaser angeregt werden. (Angepasst von Davoudzadeh et. al.¹⁷) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Eine Zusammenfassung der Parameter für den Pumpenlaserfaserspleißpunkt (A) sowie der drei Intrakavitätenfaser-Spleißpunkte (B-D). Hier ist die Richtung der Lichtausbreitung von der linken Faser zur rechten Faser. L = linke Faser im Spleißgelenk; R = rechte Faser im Spleißgelenk; MFD = mittlerer Felddurchmesser.

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 jedoch manchmal zu Berichten über Laser geführt, die nicht richtig funktionieren, was die Notwendigkeit veranschaulicht, biomedizinische Forscher in nicht trivialen Aspekten der Pulscharakterisierung und des modusgesperrten Betriebs weiter zu schulen.

Beachten Sie, dass die kundenspezifische Laserfertigung und -bedienung in der Regel nicht für Laboratorien geeignet ist, die mit der Laserbedienung und -sicherheit nicht vertraut sind. Lasersicherheitstraining und Gefahrenbetrachtung sind vor dem Bau eines Lasers der Klasse 4 unerlässlich. Da das Lasersystem geöffnet ist, gibt es zwei Hauptreflexionsstrahlen (von den Kompressorgittern und der In-Cavity PBS) und mehrere kleinere Reflexionen von anderen Optiken, die blockiert werden müssen. Die Freiraumkomponenten sollten an einem stabilen optischen Tisch befestigt werden, um die Ausrichtung zu erhalten. Im Gegensatz dazu sind kommerzielle Laser immer aus Sicherheitsgründen eingeschlossen und nutzen oft Mechanismen der automatischen Ausrichtung, was sie einfacher und sicherer macht.

Wie bereits erwähnt, stellt der hier vorgestellte kundenspezifische fs-Faserlaser vielleicht die beste Leistung dar, die für ein leicht konstruiertes System zu erwarten ist, das Materialkosten minimiert. Das Design und die Qualität der Spleiße ist ein entscheidender Faktor für die Lasereffizienz, einfache Herstellung und Robustheit, um Punktschäden zu verbrennen. Ein minderwertiger Spleiß kann nicht nur die Effizienz der Pumpenleistung reduzieren, sondern auch Wärme während des Betriebs erzeugen und damit den Hohlraum beschädigen. Um hochwertige Spleiße zu erreichen, muss man sicherstellen, dass faserspalter und spleißer sauber sind. Wie bereits erwähnt, sollten mit Alkohol getränkte Wattestäbchen verwendet werden, um alle Arbeitsflächen regelmäßig zu reinigen. Darüber hinaus wird dringend empfohlen, bei großen Spaltenwinkeln (>0,3°) die Spleißqualität zu verbessern.

Einmal modusgesperrt, ist das System ziemlich stabil und bleibt während eines Zeitraums von mehr als einer Woche selbst startend. Bei versehentlichen Störungen im System oder mechanischem Driften der Freiraumkomponenten im Laufe der Zeit verliert das System die Modusverriegelung, aber der Modus-Sperrlaser kann oft leicht durch leichtes Einstellen der Wellenplatten wiederhergestellt werden. Um eine stabile Leistung zu erhalten, ist die Temperaturregelung der aktiven Faser entscheidend. Daher eignet sich das System am besten in einem klimatisierten Raum mit minimalem Luftstrom in der Nähe. Das System ist relativ unempfindlich gegen kleine Vibrationen. Tatsächlich kann die Wirkung mechanischer Schwingungen sowohl im zeitlichen als auch im spektralen Bereich nicht beobachtet werden, wenn das System auf einen passiv gedämpften optischen Tisch gestellt wird. Das Berühren der Faserkomponenten des Oszillators stört die Modussperre, aber die Modusverriegelung wird einfach wiederhergestellt, indem die Faser wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückgebracht wird.

Schließlich ist der kompakte Formfaktor von fs Faserlasern für die Entwicklung mobiler klinischer Systeme attraktiv. (z. B. mobile, auf Demorwagen basierende Systeme). Das hier vorgestellte benutzerdefinierte Faserlaserdesign ist im Vergleich zu einem Festkörperlaser zwar kleiner, enthält aber mehrere Freiraumkomponenten, die eine Ausrichtung erfordern. Dies schränkt die Mobilität des Systems erheblich ein. Es ist möglich, alle diese Freiraumkomponenten durch Faserkomponenten-Analoge zu ersetzen. Zukünftige Arbeiten umfassen die Entwicklung neuer Allfaserlaser-Designs mit PM-Faser, um Systeme zu entwickeln, die robust gegen Umweltveränderungen sind.

Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

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.).