Name: low-cost custom fabrication and mode-locked operation of an all-normal-dispersion femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy
Uploaded: 2019-11-22T12:30:00
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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.）。

1. 拼接单模光纤 （SMF）
注： 第 1 节包含拼接 SMF 的一般步骤。这是使用廉价纤维练习纤维接头的非必要但推荐的步骤。在使用更有价值的光纤材料之前，此步骤可确保拼接设备的正确性能。
<ol><li>将第一根光纤分十。<ol>
<li>使用光纤剥离工具剥离大约 30 mm 的光纤。对于易碎纤维（例如双层纤维），剃须刀刀片可用于小心剥离缓冲液。</li>
		<li>使用不含绒的组织与乙醇或异?...

<ol>
	<li>Savage, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+parametric+oscillators.">Optical parametric oscillators.</a> Nature Photonics. 4, 124 (2010).</li><li>Xu, C., Wise, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+fibre+lasers+for+nonlinear+microscopy.">Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy.</a> Nature Photonics. 7, 875 (2013).</li><li>Kieu, K., Wise, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-fiber+normal-dispersion+femtosecond+laser.">All-fiber normal-dispersion femtosecond laser.</a> Optics Express. 16, 11453-11458 (2008).</li><li>Fekete, J., Cserteg, A., Szip&#337;ocs, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-fiber+all-normal+dispersion+ytterbium+ring+oscillator.">All-fiber all-normal dispersion ytterbium ring oscillator.</a> Laser Physics Letters. 6, 49-53 (2009).</li><li>Krolopp, &. #. 1. 9. 3. ;., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Handheld+nonlinear+microscope+system+comprising+a+2+MHz+repetition+rate,+mode-locked+Yb-fiber+laser+for+in+vivo+biomedical+imaging.">Handheld nonlinear microscope system comprising a 2 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber laser for in vivo biomedical imaging.</a> Biomedical Optics Express. 7, 3531-3542 (2016).</li><li>Fermann, M. E., Hartl, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+fibre+lasers.">Ultrafast fibre lasers.</a> Nature Photonics. 7, 868-874 (2013).</li><li>Szczepanek, J., Karda&#347;, T. M., Michalska, M., Radzewicz, C., Stepanenko, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+all-PM-fiber+laser+mode-locked+with+a+nonlinear+loop+mirror.">Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear loop mirror.</a> Optics Letters. 40, 3500-3503 (2015).</li><li>Bowen, P., Singh, H., Runge, A., Provo, R., Broderick, N. 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W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+Fiber+Lasers+Based+on+Dissipative+Processes+for+Nonlinear+Microscopy.">Femtosecond Fiber Lasers Based on Dissipative Processes for Nonlinear Microscopy.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 18, 1412-1421 (2012).</li><li>Nielsen, C. K., Keiding, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-fiber+mode-locked+fiber+laser.">All-fiber mode-locked fiber laser.</a> Optics Letters. 32, 1474 (2007).</li><li>Liu, Z., Ziegler, Z. M., Wright, L. G., Wise, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Megawatt+peak+power+from+a+Mamyshev+oscillator.">Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator.</a> Optica. 4, 649-654 (2017).</li><li>Sidorenko, P., Fu, W., Wright, L. G., Olivier, M., Wise, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-seeded,+multi-megawatt,+Mamyshev+oscillator.">Self-seeded, multi-megawatt, Mamyshev oscillator.</a> Optics Letters. 43, 2672-2675 (2018).</li><li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-power+ultrafast+Yb:fiber+laser+frequency+combs+using+commercially+available+components+and+basic+fiber+tools.">High-power ultrafast Yb:fiber laser frequency combs using commercially available components and basic fiber tools.</a> Review of Scientific Instruments. 87, 093114 (2016).</li><li>Bale, B., Kieu, K., Kutz, J., Wise, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transition+dynamics+for+multi-pulsing+in+mode-locked+lasers.">Transition dynamics for multi-pulsing in mode-locked lasers.</a> Optics Express. 17, 23137-23146 (2009).</li><li>Davoudzadeh, N., Ducourthial, G., Spring, B. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Custom+fabrication+and+mode-locked+operation+of+a+femtosecond+fiber+laser+for+multiphoton+microscopy.">Custom fabrication and mode-locked operation of a femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy.</a> Scientific Reports. 9, 4233 (2019).</li><li>Renninger, W., Chong, A., Wise, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Area+theorem+and+energy+quantization+for+dissipative+optical+solitons.">Area theorem and energy quantization for dissipative optical solitons.</a> Journal of the Optical Society of America. 27, 1978-1982 (2010).</li></ol>

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?...

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 <120 fs 脉冲持续时间（通常具有 80 MHz 脉冲重复率）和 >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。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Adapters, mirrors, posts, mounts, and translational stage (optomechanics)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TR6-P5 (3x), AD12NT (2x), PFSQ20-03-M01, PFSQ05-03-M01, KMS, KM100C, KM100CL, KM200S, LT1, LT101, UPH2-P5, UPH3-P5 (2x)</td>
			<td>Standard optical components</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Advanced optical fiber cleaver</td>
			<td>AFL</td>
			<td>CT-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autocorrelator</td>
			<td>Femtochrome</td>
			<td>FR-103XL/IR/FA/CDA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beamsplitter mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BSH1/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Factory fusion splicer</td>
			<td>AFL</td>
			<td>FSM-100P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber collimators</td>
			<td>OZ Optics (Canada)</td>
			<td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td>
			<td>3x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber-coupled,high-speed photodiode detector</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DET08CFC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Free-space isolator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>IO-5-1050-HP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Free-space isolator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>IO-3D-1050-VLP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Half waveplate</td>
			<td>Union Optics (China)</td>
			<td>WPZ2312</td>
			<td>2x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High power multimode fiber pump module</td>
			<td>Gauss Lasers (China)</td>
			<td>Pump-MM-976-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High power pump and signal combiner</td>
			<td>ITF Technology (Canada)</td>
			<td>MMC02112DF1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Index matching gel</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>G608N3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical spectrum analyzer</td>
			<td>Keysight</td>
			<td>Agilent 70951B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Keysight</td>
			<td>Agilent 54845A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive double clad fiber(5/130 &#956;m)</td>
			<td>ITF Technology (Canada)</td>
			<td>MMC02112DF1</td>
			<td>3m, Included with combiner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarizing beamsplitter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PBS253</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quarter waveplates</td>
			<td>Union Optics (China)</td>
			<td>WPZ4312</td>
			<td>2x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz birefringent filter plate</td>
			<td>Newlight (Canada)</td>
			<td>BIR1060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RF spectrum analyzer</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>RSA306B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Single mode fiber (6/125 &#956;m)</td>
			<td>OZ Optics (Canada)</td>
			<td>LPC-08-1064-6/125-S-1.6-7.5AS-60-X-1-2-HPC</td>
			<td>1m, Included with collimators</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Single mode fiber coupler</td>
			<td>AFW (Australia)</td>
			<td>FOSC-2-64-30-L-1-H64-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission diffraction grating 1</td>
			<td>LightSmyth</td>
			<td>T-1000-1040-3212-94</td>
			<td>For compressor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission diffraction grating 2</td>
			<td>LightSmyth</td>
			<td>T-1000-1040-60x12.3-94</td>
			<td>For compressor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waveplate rotation mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>RSP1/M</td>
			<td>4x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ytterbium-doped single mode double clad fiber</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>YB1200-6/125DC</td>
			<td>3m</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

low-cost custom fabrication and mode-locked operation of an all-normal-dispersion femtosecond fiber laser for multiphoton microscopy

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。

完成光纤激光制造程序后，验证模式锁定操作至关重要。最佳fs脉冲生成和激光稳定性的特征如下：首先，输出脉冲可能充分具有步骤6中概述的仪器特征。激光振荡器的脉冲频谱输出应居中于 1，070 nm 附近，具有典型的猫耳或蝙蝠侠形状，指示 ANDi 脉冲物理15的数值模拟所预测的模式锁定（图 2A）。尽管特性谱是脉冲相...

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Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

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。

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

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

飞秒脉冲激光器在多光子显微镜中有着广泛的应用。该协议可用于制造紧凑、坚固且价格低廉的飞秒全正态分散光纤激光器。与商用固态超快激光器相比，该技术生产的激光器成本更低，因为它只包含商用零件。此外，光纤激光器不需要水冷却，因此系统尺寸较小。最后，但最不重要的一点，光纤组件不需要对齐，这使得系统坚固于振动。与市售系统不同，这种激光器没有遮盖不需要的光束。装配和操作激光器需要有经验的人员。有些实验似乎是无法重现的，因为它很可能在遵循书面说明时错过一些不必要的细节。在视频演示中，观众不会错过任何东西。首先，在使用更有价值的光纤材料之前，先拼接单模光纤或 SMF，以确保拼接设备的性能。使用光纤剥离工具剥离约 30 毫米的光纤。如果使用易碎的纤维，可以使用剃刀刀片小心地剥离缓冲液。使用无绒组织与乙醇或异丙醇清洁剥离的纤维。擦拭时发出嗡嗡声，表示光纤足够干净。然后，将纤维支架放在纤维切刀上，并确保切刀的刀片、纤维夹和纤维支架都清洁。小心地将纤维装入纤维支架，在切刀的自由端留下大约 25 毫米的剥离清洁纤维以进行夹紧。轻轻关闭切刀上的纤维夹。为避免纤维过度张力，请重新打开并关闭夹具。按下"切割"按钮，切刀将自动切割光纤。使用带塑料圆头的钳子将切出的片件从纤维移动到锐化处理容器，然后将纤维支架转移到熔合拼接器上。重复此过程以切割第二根纤维。要拼接在一起的两根纤维应该由纤维拼接器内的纤维支架相互切割。关闭接头盖并设置参数，如核心直径、模式场直径和夹层直径。将对齐方法设置为夹层，按"设置"按钮，拼接器将自动对齐。在每个站按"设置"按钮以确认对齐质量。拼接将自动完成。使用拼接器的质量控制以及区域的摄像机视图检查接头的质量。良好的拼接具有均匀的包覆边界和沿光纤的均匀亮度，因此看不到拼接点。然后，打开拼接盖和其中一个纤维支架。可选地，可以添加一个纤维套管来保护接头，拼接器的加热器可用于将套管模制到纤维上。将组合器输出拼接到掺杂的活性纤维上。按照前面描述的过程切割组合器输出光纤。由于其包层的形状，主动纤维应首先切割和拼接一块单模纤维，稍后将被移除。用线切割机从拼接点切割距离拼接点约两厘米的单模光纤。然后，剥离单模光纤的整个长度和 0.5 厘米的有源光纤，使有源光纤与两厘米的无缓冲单模光纤封盖。将有源光纤加载到切刀中，确保只有单模光纤被光纤夹紧。从这一点开始，按照前面描述的切割和拼接光纤的过程进行操作。安全是重中之重。记得把每一块纤维碎片放在锋利的物体盒里。此外，每当泵运行时，都应警告激光安全护目镜。打开示波器，将仪器设置为交流耦合模式，触发电平设置为 30 毫伏。将光谱分析仪光电二极管输入光纤移动到单色输入，并将器件设置为 OSA 模式。然后，通过调整波板锁定激光的相位。旋转四分之一波板2几度来回。模式锁定光谱由两个稳定峰组成，它们之间有一个稳定峰。同时，在示波器上观察稳定的脉冲列车。如果未观察到模式锁定频谱，则向一个方向旋转四分之一波板 1 几度，然后重复上一步。如果仍然未观察到频谱，则旋转双参考滤波器几度并重复此过程。光纤激光器制造完成后，验证了模式锁定操作。激光振荡器的脉冲频谱输出中心在1070纳米附近，其特征猫耳形状表示数值模拟预测的模式锁定。作为模式锁定的进一步诊断，分别使用自相关器和射频频谱分析仪测量脉冲持续时间和脉冲重复功率谱。测量了70飞秒的脉冲持续时间。通过持续监测平均输出功率和脉冲频谱，测试了脉冲稳定性。当激光装置安装在具有减震的浮动光学表上时，在没有主动冷却的情况下，功率漂移在 24 小时内小于 3.5%。验证模式锁定后，使用简单的测试目标和生物样本对成像性能进行测试。在脉冲功率调整期间测量荧光，验证信号是四边形取决于传递到样品平面的激光功率。使用定制的光纤激光器对染色和未染色的生物标本进行成像。作为对双光子激发的附加验证，将收集的多色荧光微球超光谱图像与线性激发与商用二极管激光器拍摄的图像进行比较。最后，比较了二极管激光器与定制FS光纤激光器相比，绿色和红色珠子的规范化光谱。自由空间组件可被相应的纤维部件所取代，从而进一步提高鲁棒性和移动性。全光纤系统可以放在一个购物车的临床场景。自由空间组件可被相应的纤维部件所取代，从而进一步提高鲁棒性和移动性。全光纤系统可以放在一个购物车的临床场景。这项技术的影响是一个悬而未决的问题。我们预计，它将为研究人员提供新的接触飞秒激光技术，使他们能够开发新的出版物。

Research

JoVE Journal

Engineering

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