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요약

다광자 현미경, 내시경 검사 및 광의학에서 잠재적 인 응용 분야에 대한 사용자 정의 저비용, 모드 잠금 펨토초 섬유 레이저를 구축하는 방법이 제시된다. 이 레이저는 시판되는 부품과 기본 접합 기술을 사용하여 제작되었습니다.

초록

맞춤형 저비용이지만 고성능 펨토초(fs) 광섬유 레이저를 구축하기 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 모든 정상 분산 (ANDi) ytterbium 도핑 섬유 레이저는 광섬유 및 펌프 레이저 구성 요소에 $ 8,000, 표준 광학 부품 및 엑스트라 캐비티 액세서리 $ 4,800을 포함하여 상업적으로 이용 가능한 부품을 사용하여 완전히 제작되었습니다. 광섬유 장치 제조를 위한 새로운 연구원은 또한 기본적인 섬유 접합 및 레이저 펄스 특성화 장비 (~$63,000)에 투자를 고려할 수 있습니다. 최적의 레이저 작동에 중요한 방법, 실제 및 명백한 (부분 또는 노이즈와 같은) 모드 잠금 성능을 확인하는 방법이 표시됩니다. 이 시스템은 약 1,070 nm의 중심 파장과 31 MHz의 펄스 반복 속도로 70 fs 펄스 지속 시간을 달성합니다. 이 광섬유 레이저는 쉽게 조립된 광섬유 레이저 시스템을 위해 얻을 수 있는 피크 성능을 나타내며, 이 설계는 새로운 구현을 가능하게 하는 컴팩트하고 휴대용 fs 레이저 기술을 개발하는 것을 목표로 하는 연구 실험실에 이상적입니다. 임상 다광자 현미경 및 FS 수술.

서문

고체 펨토초(fs) 펄스 레이저는 현미경 및 생물학적 연구에 널리 사용됩니다. 대표적인 예로는 광손상 메커니즘을 최소화하면서 MPE 공정을 용이하게 하기 위해 높은 피크 전력과 낮은 평균 전력이 요구되는 다광자 광도(MPE) 형광 현미경의 사용이 있습니다. 많은 고성능 고체 레이저가 시판되고, 광학 파라메트릭 발진기 (OPO)와 결합될 때, 레이저 파장은 넓은 범위1에걸쳐 튜닝될 수 있다. 예를 들어 상업용 발진기-OPO 시스템은 680에서 1,300nm까지의 평균 전력(일반적으로 80MHz 펄스 반복 속도)과 >1W 평균 전력을 생성합니다. 그러나 이러한 상용 튜닝 가능한 fs 레이저 시스템의 비용은 상당하며(>$200,000), 솔리드 스테이트 시스템은 일반적으로 수냉을 필요로 하며 임상 응용 분야에는 이식할 수 없습니다.

초단 펄스 섬유 레이저 기술은 지난 몇 년 동안 성숙했다. 상용 fs 펄스 섬유 레이저의 비용은 일반적으로 위에서 언급 한 고체 시스템에 의해 제공되는 광범위한 파장 튜닝의 기능없이, 고체 레이저보다 상당히 낮다. 광섬유 레이저는 원하는 경우 오푸스와 페어링할 수 있습니다(즉, 하이브리드 섬유-고체 시스템). 섬유 레이저 시스템의 큰 표면 대 부피 비율은 효율적인 공기 냉각2를가능하게합니다. 따라서, 광섬유 레이저는 상대적으로 작은 크기와 단순화 된 냉각 시스템으로 인해 고체 시스템보다 더 휴대용입니다. 또한, 섬유 부품의 융합 접합은 고체 장치를 구성하는 광학 부품의 자유 공간 정렬과 는 달리 시스템 복잡성과 기계적 드리프트를 감소시킵니다. 이러한 모든 기능은 섬유 레이저를 임상 응용 분야에 이상적입니다. 사실, 모든 섬유 레이저는 낮은 유지 보수 작업을 위해 개발되었다3,4,5,모든 편광 유지 (PM) 섬유 레이저는 온도와 습도의 변화뿐만 아니라 기계적 진동2,6,7,8등의환경 요인에 안정적이다.

여기서, 시판되는 부품 및 표준 섬유 접합 기술을 이용한 비용 효율적인 fs 펄스 ANDi 섬유 레이저를 구축하는 방법이 제시된다. 펄스 반복 속도, 지속 시간 및 일관성(전체 모드 잠금)을 특성화하는 방법도 제공됩니다. 생성된 광섬유 레이저는 31MHz의 반복 속도와 1,060~ 1,070nm의 파장을 통해 70fs로 압축할 수 있는 모드 잠금 펄스를 생성합니다. 레이저 캐비티의 최대 전력 출력은 약 1W입니다. ANDi 섬유 레이저의 펄스 물리학은 포화 흡수기2,3,9,10,11의핵심 구성 요소로서 광섬유에 내재된 비선형 편광 진화를 우아하게 활용합니다. 그러나 이는 ANDi 설계가 PM 섬유를 사용하여 쉽게 구현되지 않음을 의미합니다(ANDi 모드 잠금의 모든 PM 파이버 구현이 보고되었지만, 낮은 전력 및 ps 펄스 지속 시간12임에도불구하고). 따라서 환경 안정성에는 상당한 엔지니어링이 필요합니다. Mamyshev 발진기와 같은 차세대 섬유 레이저 설계는 전체 PM-섬유 장치로서 전체 환경 안정성을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 넓은 펄스 스펙트럼13,14에의존하는 응용 프로그램을 가능하게 하기 위해 펄스 지속 시간의 현저한 감소를 제공할 뿐만 아니라, 이러한 혁신적인 새로운 fs 섬유 레이저 디자인의 사용자 정의 제작은 노하우와 섬유 접합 경험이 필요합니다.

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프로토콜

1. 스플라이스 단일 모드 섬유 (SMF)

참고: 섹션 1은 SMF를 접합하는 일반적인 단계로 구성됩니다. 이것은 필수적이지 않지만 저렴한 섬유를 사용하여 섬유 접합을 연습하기위한 권장 단계입니다. 이 단계는 더 가치있는 광섬유 재료를 사용하기 전에 접합 장비의 적절한 성능을 보장합니다.

  1. 첫 번째 섬유를 갈라주세요.
    1. 섬유 스트리핑 도구로 약 30mm의 섬유를 제거합니다. 깨지기 쉬운 섬유(예: 이중 입힌 섬유)의 경우 면도날을 사용하여 버퍼를 조심스럽게 벗길 수 있습니다.
    2. 에탄올 이나 이소프로판올과 보풀이 없는 조직을 사용하여 벗겨진 섬유를 청소하십시오. 섬유를 닦을 때 윙윙 거리는 소리는 섬유가 충분히 깨끗하다는 것을 나타냅니다.
    3. 섬유 홀더를 섬유 칼에 놓습니다. 칼날, 칼날의 섬유 클램프 및 섬유 홀더가 모두 깨끗한지 확인하십시오. 알코올면봉을 사용하여 칼의 이러한 부분을 청소할 수 있습니다.
    4. 섬유를 조심스럽게 섬유 홀더에 적재하십시오. 약 25mm의 벗겨진 깨끗한 섬유를 자유 끝에 두고 칼이 클램프되도록 합니다.
    5. 칼에 섬유 클램프를 부드럽게 닫습니다. 섬유에 추가 장력을 가하지 않으려면 클램프를 다시 열고 닫아 장력이 해제되도록 합니다.
    6. "잘라내기" 버튼을 누르면 칼이 자동으로 섬유를 절단합니다.
      참고: 섬유가 깨끗하게 유지되도록 하려면, 섬유 팁을 자식으로 만져서는 안 됩니다.
    7. 섬유 홀더를 퓨전 스플리커로 옮김. 핀셋을 사용하여 섬유에서 잘려나온 조각을 날카로운 처리 용기로 옮습니다.
      주의: 단단한 핀셋과 날카로운 핀셋 팁은 섬유질을 깨뜨릴 수 있습니다. 광섬유를 취급하기위한 적절한 트위처는 플라스틱, 둥근 팁이 있어야합니다.
  2. 두 번째 섬유를 갈라주세요.
    1. 다른 섬유 홀더와 함께 두 번째 섬유에서 1.1 단계를 반복합니다. 접합될 두 섬유는 섬유 스플리커 내의 섬유 홀더에 의해 서로 대립하는 갈라진 끝으로 갈라져야 한다.
    2. 스플리서의 덮개를 닫습니다.
  3. 융합은 섬유를 접합합니다.
    1. 코어 지름, 모드 필드 지름(MFD) 및 클래딩 지름을 포함하여 퓨전 스플리커의 파라미터를 설정합니다. 맞춤 방법을 클래딩으로 설정합니다.
    2. 시작 버튼을 누르면 스플리서가 자동으로 정렬됩니다.
      참고: 갈라기 모양이 좋지 않거나 큰 갈라진 각도와 관련하여 오류 메시지가 발생할 수 있습니다. 이것은 일반적으로 갈라진 후 섬유의 가난한 갈라기 또는 오염 때문입니다. 이 경우 섬유 절기 절차를 반복하십시오.
    3. 각 정류장에서 시작 버튼을 눌러 스플라이스의 품질을 확인합니다. 스플라이스는 자동으로 수행됩니다.
    4. 스플라이서에 의해 수행되는 품질 관리 검사를 통해 스플라이스 의 품질을 확인하고 접합 영역의 카메라 뷰를 사용하여 스플라이스의 품질을 확인합니다. 좋은 스플라이스는 섬유를 따라 균일한 클래딩 경계와 균일한 밝기를 가지며 스플라이스 영역이 보이지 않습니다.
      참고: 광섬유 접합체는 종종 스플라이스를 검사하고 광섬유에 수직인 소스를 사용하여 광섬유를 통해 측정된 형상, 형상 및 광 굴절을 기반으로 전력 손실을 추정하여 접합 관절을 보고, 이미지화하고, 분석하는 광학을 포함합니다. 물론 이것은 추정치일 뿐이지만 대부분의 경우 충분합니다. 동일한 섬유의 경우 스플리커는 이 손실을 ~0dB(즉, 감지 가능한 손실 없음)로 추정합니다. 아래에 설명된 이종 섬유 스플라이스를 가진 이전 결과로부터, 전력 손실의 스플라이서 추정범위는 0.07 dB(스플라이스 포인트 B 및 C, 도 1)에서0.3dB(스플라이스 포인트 D)이다. 이러한 추정치는 불일치 형상과 불일치 광섬유의 굴절로 인한 손실을 과대 평가할 가능성이 높으며, 이는 결함 개체로 잘못 나타납니다.
    5. 스플리처 커버를 열고 섬유 홀더 중 하나를 엽니다. 접합 된 섬유가 접합기에서 제거 될 때까지 다른 섬유 홀더를 열지 않아야합니다.
    6. 옵션으로, 스플라이스를 보호하기 위해 섬유 슬리브를 첨가할 수 있다. 스플리커상의 히터는 슬리브를 섬유에 성형하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 열풍 총이 사용될 수 있다.
      참고 : 두 섬유가 매우 길거나 다른 구성 요소에 부착된 경우 슬리브를 절단하기 전에 섬유 중 하나에 놓은 다음 접합 점으로 이동할 수 있습니다. 섬유 슬리브는 전자 회로에서 열 수축 튜브처럼 작동합니다. 굽힘 또는 당기는 힘으로부터 접합점을 보호하는 데 사용할 수 있습니다. 광섬유 재코팅기는 스플라이스 포인트를 기계적 손상으로 최대한 보호하기 위해 스플라이스 포인트를 재코팅하는 대신 사용할 수 있습니다.

2. 섬유 부품 조립

  1. 펌프 신호 결합기의 펌프 입력 & 2>gt; 펌프 출력 섬유 <1> 스플라이스 (섬유 레이저 다이어그램, 그림 1참조).
    1. 섹션 1을 따라 섬유를 갈라내고 접합합니다. 수동으로 입력해야 하는 파이버 파라미터(2-A 및 2-B)를 제외하고 기본 I SP 프로그램의 기본 설정을 사용합니다. 입력해야 하는 접합 매개변수는 표 1에서찾을 수 있습니다.
  2. 결합기 출력 및 3>Yb 도핑 활성 섬유에 스플라이스합니다.
    1. 1.1 단계를 따라 결합기 출력 섬유를 갈라십시오.lt;3>.
    2. 활성 섬유를 갈라주세요;4>;
      참고 : 활성 섬유 & 4> 팔각형 클래딩을 가지고 있기 때문에 섬유 칼의 V 홈에 맞지 않습니다. 따라서, 1.1단계에서 설명한 바와 같이 간단한 클리브는 비교적 큰 갈라짐 각도를 생성할 것이다. 따라서, 다음 단계는 동일한 장비를 사용하여 평평한 칼각을 달성하기 위해 특별한 프로토콜을 설명한다.
      1. 섹션 1을 따라 활성 섬유 & 4> 및 6/125 SMF 조각을 갈라내고 접합하십시오. 이 SMF는 나중에 제거되며 레이저에 통합되지 않습니다. 따라서 이 칼각도의 품질이 좋지 않으면 허용됩니다. 이 단계에서 플랫 클리브 각도를 얻는 것은 중요하지 않습니다.
      2. 와이어 커터로 접합점에서 SMF를 약 2cm 잘라냅니다.
      3. SMF의 전체 길이를 제거하고 활성 섬유를 다른 0.5 cm로 제거합니다. 이제 활성 섬유는 버퍼리스 SMF 2cm로 제한됩니다.
      4. 1.1.3-1.1.5 단계와 같이 활성 섬유를 칼에 로드합니다. 원형 클래딩이 있는 SMF만 섬유 클램프에 의해 고정되어 있는지 확인합니다.
      5. 1.1.6 단계와 1.1.7 단계를 수행하여 활성 섬유를 갈라놓으십시오.4>; SMF만 V-홈에 있기 때문에 이 클리브는 최소한의 칼각을 생성합니다.
    3. 1.3 단계를 따라 섬유를 접합합니다.
  3. 활성 섬유의 말단에서 총 전력 출력을 대략 측정합니다.4>;
    1. 스플라이스 포인트 & B>에서 ~3 m에서 활성 섬유 & 4>를 잘라. 더 긴 활성 섬유는 더 높은 출력 전력을 위해 사용될 수 있지만 캐비티 길이의 증가로 인해 반복 속도가 감소됩니다.
    2. 1.1단계에서 언급한 대로 끝 & 4C>gt;
      참고: 다음 단계에서 전력 측정이 예상되므로 2.2.2단계에서 언급한 방법을 사용할 필요가 없습니다.
    3. 섬유를 파워 미터쪽으로 가리키고 물리적 접촉 없이 섬유와 파워 미터를 함께 가져옵니다.
      경고: 광전력이 센서의 작은 지점에 집중되어 있기 때문에 섬유 의 끝을 파워 미터에 너무 가깝게 두면 파워 미터 센서가 손상될 수 있습니다. 이를 방지하려면 최소한의 신뢰할 수 있는 펌프 전원을 사용하십시오.
    4. 파워 미터에서 전력 출력을 읽습니다. 대형 (>80%) 효율성 처리량은 지점 및 A&Gt 및 에서 충분한 품질 스플라이스를 나타냅니다.
      참고: 2.3.2 단계에서 2.3.3.3단계로 언급한 바와 같이 파워 미터에 대한 커플링 방법의 비효율성과 활성 섬유의 흡수로 인한 약간의 전력 손실이 정상입니다.
  4. 콜리메이터 & Col1>의 입력 & 5>에 활성 섬유 & 4>
    1. 2.2.2 단계를 따라 활성 섬유를 잘라 & 4> 끝에 콜리메이터에 접합할 수 있습니다.
    2. 콜리메이터 & 콜1>의 입력 & 5>를 약 40cm로 자른다.
      참고 : 수동 섬유의 길이 (>5>)는 증폭 된 펄스가 증가 된 자기 위상 변조 (SPM) 및 그룹 속도 분산 (GVD)으로 인해 시간과 스펙트럼 도메인에서 실질적으로 확대되기 때문에 너무 길어서는 안됩니다 (>40cm). 게인 섬유 (펄스 증폭)를 통해 통과 다음. 이러한 효과는 펄스 압축의 어려움을 증가시킬 것이다.
    3. 1.1 단계와 1.3단계를 따라 콜리메이터 입력 & 5>를 갈라내고 활성 및 콜리메이터 섬유를 접합합니다.
      참고 : SMF에 이중 클래드 섬유의이 스플라이스 & C> 스플라이스는 이전 스플라이스보다 낮은 품질로 나타날 수 있습니다. 그러나 실제 성능은 펄스가 코어 내에서 전파하기 때문에 코어 정렬에만 의존합니다.
  5. 스플라이스 섬유 & 6> 두 번째 콜리메이터 & Col2>> 신호 입력 섬유 & 7>
    1. 섹션 1을 따라 섬유를 갈라내고 접합합니다.

3. 광섬유 부품을 광학 테이블에 장착하십시오.

  1. 나사와 필요한 클램프로 펌프 레이저를 광학 테이블에 장착합니다.
  2. 펌프 신호 결합기를 클램프가 있는 광학 테이블에 장착합니다. 열 페이스트는 광학 테이블이 결합기의 방열판으로 작동하기 때문에 결합기와 테이블 사이에 사용할 수 있습니다.
  3. 테이블에 섬유를 놓습니다. 섬유 1, 2, 3, 5, 6 및 7은 공간을 절약하기 위해 개별적으로 코일 수 있으며, 활성 섬유 4는 곡률 및 gt;20cm 반경으로 느슨하게 직선 또는 코일되어야합니다.
    주의: 활성 섬유가 강하게 구부러지면 펌프 신호가 활성 섬유의 내부 클래딩에서 벗어날 수 있습니다. 이것은 새로운 활성 섬유를 설치해야하는 활성 섬유를 따라 치명적인 연소 지점으로 이어질 수 있습니다.
  4. 스플라이스 & C>에 인덱스 매칭 젤을 적용합니다. 인덱스 매칭 겔은 스플라이스 지점에서 열 및 열 손상의 발생을 줄이기 위해 활성 섬유에서 펌프 빛을 안내하는 데 사용됩니다. 섬유를 다시 코팅할 필요가 없습니다. 열 손상의 위험을 최소화하기 위해 섬유를 맨손으로 하고 인덱스 매칭 겔로 코팅하는 것이 바람직하다.
  5. 광기계 부품을 사용하여 광학 테이블에 두 개의 콜리메이터 & Col1> 및 를 장착하고 고정합니다. 콜리메이터는 약 35cm의 분리로 서로 마주보아야 캐비티 내 자유 공간 구성요소를 삽입할 수 있는 충분한 공간을 제공해야 합니다.

4. 여유 공간 부품 조립

  1. 펌프 레이저를 켭니다. 전원을 0.5W로 설정합니다(즉, 모드 잠금을 위한 임계값 을 초과하면서 시스템 구성 요소를 정렬하기 위한 안전한 전원).
    경고 : 이 시점에서 실험실 공간은 Class IV 레이저 인증을 받아야하며 레이저 안전 고글을 착용해야합니다.
  2. 적외선(IR) 범위를 사용하여 스플라이스 포인트 & C>를 확인합니다. 이러한 위험 지점에서 빛이 빠져나갈 수 있도록 IR 범위(열 손상의 잠재적 인 점을 나타내는 지표)를 통해 보이는 밝은 지점에 인덱스 일치 젤을 적용합니다.
  3. 두 콜리메이터가 서로를 직접 가리키게 되도록 위치를 조정합니다. IR 보기 카드를 사용하여 콜리메이터 입구 조리개에서 중심 빔 정렬을 지원할 수 있습니다.
  4. 에서 6cm 떨어진 편광 빔 스플리터(PBS)를 장착합니다. 반사된 레이저 출력 빔의 전력을 연속해서 측정할 수 있도록 파워 미터의 센서를 장착합니다. 파워 미터의 파장은 1,060 nm로 설정해야합니다. 0.5W 펌프 전력을 가진 일반적인 시작 전력 판독값은 정렬 하기 전에 ~50 mW입니다.
  5. 콜리메이터 마운트의 나사를 조정하여 파워 미터의 판독값을 높입니다. 출력 전력이 약 150mW의 최대 값에 도달할 때까지 미세 조정을 계속하면 정렬이 우수합니다.
    참고: 이 단계는 신중하고 참을성 있는 조정이 필요하며, 이는 종종 시간이 많이 소요됩니다. 체계적인 절차를 따르는 것이 가장 효율적입니다: 먼저 두 개의 충돌기에서 동일한 방향(X 또는 Y)으로 각도를 조정하는 두 개의 나사를 회전하고, 한 나사는 한 방향으로 매우 느리게 회전하는 반면 다른 나사는 빠르게 회전하여 모든 나사를 스캔합니다. 적당한 각도. 파워 미터에서 최대 판독값을 계속 추적합니다. 최대 전력이 발견되면 나사로 전환하여 다른 방향으로 조정합니다. 위에서 설명한 느린 회전 및 빠른 스캔을 반복합니다. 두 콜리메이터 내부의 렌즈의 반사로 인해 콜리메이터를 정렬하면서 여러 로컬 최대를 관찰할 수 있습니다. 실제 최대 전력은 로컬 최대값(70~80mW)에 비해 훨씬 큽니다(150mW).
  6. 에서 3cm 의 등온을 장착하십시오. 콜리메이터의 방향을 다시 조정하여 여유 공간 구성 요소를 정렬하고 출력 전력을 최대화합니다. 아솔레이터의 존재는 빔 정렬을 약간 편향시킬 수 있지만 최대 출력 전력은 콜리메이터에 대한 미세 조정을 통해 회수됩니다.
  7. 그림 1에표시된 해당 위치에 이중 필터 & BF>, 반파 플레이트 & HWP> 및 2분기 웨이브 플레이트( 및 )를 장착합니다. 이중 언어 필터는 두 개의 편광판-1 전(&PBS>)과 그 후() 사이에 끼워져 정현파 밴드 패스 필터 효과를 생성합니다. 파장 범위를 제어하려면 에 대해 작은(3°-5°) 입사 각도가 있어야 합니다. 출력 전원이 최대 값에 도달할 때까지 콜리메이터의 정렬을 한 번 더 조정합니다.

5. 엑스트라 캐비티 부품 설정

  1. 광섬유커넥터(FC)또는 서브미니어처 버전 A(SMA) 커넥터로 스플리터의 세 포트를 모두 스플라이터(그림 1)로 스플라이스합니다. 커넥터의 유형은 포토다이오드의 입력 포트와 OSA(광학 스펙트럼 분석기)에 따라 달라집니다. 스플라이스 단계는 위의 섹션 1에 설명된 단계와 동일합니다.
  2. 스플리터의 한 출력을 OSA의 포토다이오드 입력 포트에 연결하고 다른 출력은 FC 커넥터를 사용하여 포토다이오드에 연결합니다.
  3. 포토다이오드 출력 포트를 베이요나이트 닐-콘셀만(BNC) 케이블로 오실로스코프(OSC)에 연결합니다.
  4. 콜리메이터 & Col3>를 스플리터의 입력 포트에 연결합니다.
    참고 : 스플리터 및 를 연결하는 커넥터를 사용하는 것은 편의를 위한 것입니다. 원하는 경우 이 연결을 스플라이스로 교체할 수 있습니다.
  5. 파워 미터 센서를 제거합니다.
  6. 광학 테이블에 작은 거울 & M1> 및 첫 번째 압축기 격자 & G1>를 장착합니다. 압축기 격자의 최대 효율을 얻으려면 파워 미터를 사용하여 격자를 회전하여 입사 각을 조정하면서 1차 최대 전력을 모니터링합니다.
    참고: 회전 스테이지를 사용하여 회전을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 입사각 오프셋으로 인한 손실이 작기 때문에 비용을 줄이기 위해 회전 스테이지가 사용되지 않습니다.
  7. 테이블에 번역 단계를 장착합니다. 두 번째 압축기 격자 & G2>를 번역 단계에 장착합니다. 격자 사이의 거리는 평행 단계를 사용하여 미세 조정과 최적의 압축을 위해 약 2cm이어야한다. 격자가 평행한지 확인합니다.
  8. 압축기 미러 & M2>를 광학 테이블에 장착합니다. 이 미러는 평행 단계의 이동 방향에 수직이고 수직이어야 합니다.
  9. 나머지 거울, 빔 스플리터 및 콜리메이터 & Col3>를 장착합니다. 정렬은 나중에 조정됩니다.
  10. 펌프 레이저를 켭니다. 펌프 레벨을 0.5W 미만으로 조정합니다.
  11. IR 범위를 사용하여 스플라이스 & C>를 확인합니다. 밝은 반점에 인덱스 매칭 젤을 추가합니다.
    참고 : 단계 5.11 레이저의 정상적인 사용 중에 정기적으로 수행해야합니다.
  12. 압축기정렬합니다.
    1. IR 카드를 사용하여 빔을 찾고,의 위치를 조정하고, 압축 격자를 조정하여 출력 빔이 펄스 압축 부품을 통과하도록 합니다. , , ;
    2. 기울기 & M2> 반사 된 빔을 높이기 위해 약간 위로 올라가서 펄스 피커 미러 및 Lt;M1>위의 통과합니다.
      참고 : 픽업 미러 & M1> 각도가 필요하지 않도록 역반사로 대체 할 수 있습니다. 즉, 반사된 빔은 입사 빔과 평행하지만, 후퇴반사 거울을 사용하여 설정을 단순화한다.
  13. 콜리메이터를 빔 스플리터의 하나의 출력 빔과 정렬합니다.
    1. OSA를 켜고 장치를 전원 미터 모드로 설정합니다.
    2. 미러 및 M3>와 콜리메이터의 각도를 조정하여 전력 입력을 최대화합니다. 전원 판독값은 -10dBm 이상이어야 합니다.

6. 레이저 펄스 출력의 특성화로 모드 잠금 성능 달성

  1. OSC를 켜고 트리거 레벨이 30mV로 설정된 AC 커플링 모드로 기기를 설정합니다.
  2. OSA 포토다이오드 입력 파이버를 단색 입력으로 이동합니다. 장치를 OSA 모드로 설정합니다.
  3. 웨이브 플레이트(15)를조정하여 레이저의 위상을 잠급전.
    1. 회전 앞뒤로 몇 도. 모드 잠금 스펙트럼은 대략 그들 사이의 고원 (즉, 소위 고양이 귀 또는 배트맨 모양)과 두 개의 안정적인 봉우리로 구성되어 있습니다. 한편, OSC에서 안정적인 펄스 트레인을 관찰할 수 있다.
    2. 모드 잠금 스펙트럼이 관찰되지 않으면 한 방향으로 몇 도 회전하고 6.3.1 단계를 반복합니다.
    3. 6.3.2를 반복하여 모드 잠금 스펙트럼을 관찰할 수 없는 경우 회전 및 BF> 몇 도 및 반복 단계 6.3.2.
      참고 : OSA를 관찰하여 구별 할 수있는 레이저 작동의 몇 가지 특성 모드가 있습니다 : 1. 하나 또는 두 개의 좁은 (~ 1 nm) 피크. 이들은 증폭 된 자발적 인 방출 (ASE)입니다. 2. 깨진 선이 무작위로 나타나는 넓은 (~ 50 nm) 시끄러운 피크. 이것은 부분 모드 잠금 (PML) 스펙트럼입니다. 이 노이즈와 같은 펄스 모드에서는 각 펄스의 강도와 지속 시간이 달라지므로 더 긴 픽셀 체류 시간에 걸쳐 펄스 변동을 통합하지 않으면 이미지 품질이 저하됩니다. 17 3. 많은 낮은 진폭 피크로 구성된 매우 시끄러운 배경을 가진 하나의 ASE 피크. 모드가 아닌 Q-스위칭 모드입니다. 이 모드에서는 작은 각도로 회전 gt; 모드 잠금을 수행할 수 있습니다. 4. 배트맨 모양의 모드 잠금 스펙트럼. "귀"는 일반적으로 날카로운 가장자리 피처 사이에 평평한 스펙트럼을 가진 다른 진폭을 가집니다. Davoudzadeh 외. 동작17의이러한 모드 각각에 대한 상세한 측정 및 예시 결과를 제공합니다.
  4. 무선 주파수(RF) 스펙트럼을 획득하고 분석합니다.
    1. OSC에서 BNC 케이블을 분리하고 RF 스펙트럼 분석기에 연결합니다.
      참고: 지면이 회로 내에서 에코를 유도하는 닫힌 루프를 형성하기 때문에 BNC 티 어댑터를 사용하는 것은 권장되지 않습니다. RF 스펙트럼 분석기는 사용 시 OSC와 동일한 위치를 차지하기 때문에 그림 1에표시되지 않습니다.
    2. RF 스펙트럼 분석기 사용 설명서를 따라 기본 스펙트럼 피크를 찾습니다. 대략적인 예상 주파수는 OSC를 사용하는 두 펄스 사이의 시간을 기준으로 계산할 수 있습니다.
    3. 웨이브 플레이트와 이중 필터를 부드럽게 조정하여 배경에 대한 기본 피크의 높이인 신호 대 잡음 비율을 최대화합니다.
      참고: 모드 잠금 RF 스펙트럼은 측면 로브가 없는 단일 피크여야 합니다. 최상의 이미징 품질을 위해 SNR은 최소 70dB에 도달해야 합니다. OSA의 스펙트럼은 신중하게 모니터링되어야한다, 배트맨 스펙트럼 모양을 추적, 레이저 모드 잠금 남아 있는지 확인하기 위해.
  5. 제조업체 의 지침에 따라 자동 상관 관계를 조정하고 작동하여 펄스 지속 시간을 측정합니다. 엑스트라 캐비티 빔 스플리터의 두 번째 출력을 사용할 수 있습니다. 펄스 지속 시간을 측정할 수 있게 되면,가 장착된 평행 단계를 신중하게 조정하여 두 격자 사이의 거리를 조정하여 펄스의 지속 시간을 조정합니다.
    참고: 정렬을 용이하게 하기 위해 미러 & M1> 를 두 개의 격자와 장착된 평행 단계와 별도로 장착하는 것이 가장 좋습니다. 또한 피코초 펄스는 부분적으로 모드-잠금동작(17)동안 중앙 fs 펄스 피크 피처와 함께 넓은 받침대로 관찰된다.
  6. 펌프 전력을 0.5W 이상으로 점진적으로 증가하여 최대 펌프 전력을 찾습니다. 최대 ~5W의 힘이 테스트되었습니다. IR 범위를 사용하여 활성 섬유 <4>를 지속적으로 관찰하십시오. 밝은 점이 나타나면 펌프 전력이 캐비티 내에서 너무 높으면 이 펌프 레벨에서 활성 섬유를 연소시킬 수 있습니다.
    참고: 시스템의 최대 전력은 활성 섬유의 길이와 캐비티 내 자유 공간 구성 요소의 정렬에 따라 달라집니다. 여기에 설명된 프로토콜은 밝은 반점이나 캐비티에 화상을 입지 않고 최대 1W의 출력 전력에 도달하며, 이 전력은 대부분의 이미징 애플리케이션에 충분합니다. 더 높은 출력 전력은 테스트되지 않았지만 멀티 펄스가16,17,18을초래할 가능성이 있지만 가능할 수 있습니다.

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결과

광섬유 레이저 제조 절차가 완료되면 모드 잠금 작동을 확인하는 것이 중요합니다. 최적의 fs 펄스 생성 및 레이저 안정성의 시그니처는 다음과 같습니다: 첫째, 출력 펄스는 6단계에서 설명된 계측에 의해 충분히 특징지어질 수 있다. 레이저 발진기의 펄스 스펙트럼 출력은 ANDi 펄스 물리학15 (그림 2A)의수치 시뮬레이션...

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토론

여기에 설명 된 프로토콜은 수십 년 동안 레이저 물리학 실험실에서 일반적인 관행이었지만 많은 생물 의학 연구자에게 자주 익숙하지 않은 노하우와 전문 지식을 합성합니다. 이 작품은이 초고속 섬유 레이저 기술을 더 넓은 지역 사회에 더 쉽게 접근 할 수 있도록하려고합니다. ANDi 섬유 레이저 디자인은 와이즈와 동료3에의해 정액 작품에서 처음 개발된 바와 같이 잘 확립되?...

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공개

저자는 경쟁적인 이익을 선언하지 않습니다.

감사의 말

E. 크로닌-푸르만 박사와 M. 바이츠만(미주 과학 솔루션 그룹의 올림푸스 코퍼레이션)이 이미지 획득에 도움을 주신 것에 대해 감사드립니다. 이 작품은 건강 보조금 K22CA181611의 국립 연구소에 의해 지원되었다 (B.Q.S.에) 리처드와 수잔 스미스 가족 재단 (뉴턴, M.A.) 스미스 가족상 생물 의학 연구 우수 (B.Q.S.에).

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자료

NameCompanyCatalog NumberComments
Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics)ThorlabsTR6-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 cleaverAFLCT-100
AutocorrelatorFemtochromeFR-103XL/IR/FA/CDA
Beamsplitter mountThorlabsBSH1/M
Factory fusion splicerAFLFSM-100P
Fiber collimatorsOZ Optics (Canada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC3x
Fiber-coupled,high-speed photodiode detectorThorlabsDET08CFC
Free-space isolatorThorlabsIO-5-1050-HP
Free-space isolatorThorlabsIO-3D-1050-VLP
Half waveplateUnion Optics (China)WPZ23122x
High power multimode fiber pump moduleGauss Lasers (China)Pump-MM-976-10
High power pump and signal combinerITF Technology (Canada)MMC02112DF1
Index matching gelThorlabsG608N3
Optical spectrum analyzerKeysightAgilent 70951B
OscilloscopeKeysightAgilent 54845A
Passive double clad fiber(5/130 μm)ITF Technology (Canada)MMC02112DF13m, Included with combiner
Polarizing beamsplitterThorlabsPBS253
Quarter waveplatesUnion Optics (China)WPZ43122x
Quartz birefringent filter plateNewlight (Canada)BIR1060
RF spectrum analyzerTektronixRSA306B
Single mode fiber (6/125 μm)OZ Optics (Canada)LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC1m, Included with collimators
Single mode fiber couplerAFW (Australia)FOSC-2-64-30-L-1-H64-2
Transmission diffraction grating 1LightSmythT-1000-1040-3212-94For compressor
Transmission diffraction grating 2LightSmythT-1000-1040-60x12.3-94For compressor
Waveplate rotation mountThorlabsRSP1/M4x
Ytterbium-doped single mode double clad fiberThorlabsYB1200-6/125DC3m

참고문헌

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  3. Kieu, K., Wise, F. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser. Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).
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