Multi-parameter avstembare ultraraske fiberlasere har drevet utviklingen av mange nye områder innen femtosekund biomedisinsk fotonikk. Siden det er vanskelig å uavhengig stille inn de tre parameterne senterbølgelengde, repetisjonsfrekvens og pulsbredde med garantert utgangspulsenergi for ultraraske lasere i fast tilstand, bruker femtosekund biomedisinsk fotonikk vanligvis en pulsselektiv fiberkvitret pulsforsterker (pp-FCPA) koblet med en optisk parametrisk forsterker (OPA) som drivende lyskilde. Imidlertid påvirker de klumpete romlige komponentene i OPA i stor grad strålekvaliteten og miljøimmuniteten til systemet, og det kjedelige rutinemessige vedlikeholdet er utenfor livsforskernes kunnskap. Derfor, for å erstatte OPA-teknologien og utnytte fordelene med pp-FCPA-systemet, utviklet forfatterne en bølgelengdejusterbar femtosekund-lyskilde basert på superkontinuumgenerering.
Fig. 1 Tre måter for generering av superkontinuum
Figur 1 illustrerer tre vanlige metoder for å generere et superkontinuumspektrum. Metode 1 bruker en fusjonsarkitektur av helfiber, som tilbyr den mest kompakte konstruksjonen og utmerket miljøstabilitet, men fiberen bærer for det meste picosekundlasere, vanligvis funnet i kommersielle lasere. Metode 2, på den annen side, bruker en kommersielt tilgjengelig lukking med fiberendekapper og modusutvidelse som en ikke-lineær bølgelengdeomformer festet til en titan safir oscillator for å støtte bølgelengdekonvertering for femtosekundpulser. Metode 3 ligner på metode 2, men kombinerer en pp-FPCA-frontend med fordelene med fiberoptikk ved å koble høyenergi-femtosekundpulser inn i en seksjon av fotonisk krystallfiber for å produsere et koherent superkontinuumspektrum. Det er denne tredje tilnærmingen forfatterne bruker i denne artikkelen.
Imidlertid ble det eksperimentelt funnet at den optiske fiberen som brukes til superkontinuumgenerering, typisk er skadet etter omtrent 100 timers kumulativ drift. Irreversibel optisk skade begrenser i stor grad levetiden til en superkontinuumkilde. Derfor er det et stort behov for å bestemme prinsippet for denne optiske skaden for å finne midler for å omgå den. Hvis den optiske skaden er forårsaket av luftbårne forurensninger i et ikke-superrentromsmiljø og/eller romlig kobling med høy toppeffekt ved fiberendeflaten, kan den løses av kommersielt tilgjengelige fotoniske krystallfiberendestykker eller ved å kollapse en spesifikk åpning i fiberendeflaten. .
Tabell 1 Tre eksperimentelle scenarier for generering av superkontinuum
Tabell 1 viser de tre eksperimentelle skjemaene som ble brukt av forfatterne for å studere fiberskademekanismer. Skjema 1 koblet en inngangspuls med en sentral bølgelengde på 1030 nm, en repetisjonsfrekvens på 10 MHz og en pulsbredde på 280 fs inn i en 25 cm seksjon av LMA-PM-15 fiber, og etter gjentatte eksperimenter, alle av dem fant at fiberen var skadet etter 100 ± 40 timers kumulativ drift. Skjema 2 brukte en annen drivlyskilde og fotonisk krystallfiber, men toppeffekttettheten koblet til fiberendeflaten forble den samme som i skjema 1. Scenario 2 viser imidlertid optisk skade innen 10 ± 2 timer. De to ordningene er forskjellige i hvor den optiske skaden oppstår: den optiske skaden i skjema 1 er lokalisert<10 cm from the incident end of the fiber, whereas the optical damage in scheme 2 is located <1 cm from the incident end of the fiber. This difference suggests that the cause of the fiber damage is not airborne contaminants in the environment or the high peak power density during coupling, and that optical damage cannot be avoided by fiber end caps. Upon analysis, this fiber damage can be explained by the optical waveguide theory of long period fiber grating (LPFG). When a pulse is coupled into an optical fiber, part of the energy goes into the core while the other part of the energy passes into the cladding. When the light from the core mode and the cladding mode interferes with each other and produces a standing wave, an LPFG is written in the fiber.The shorter the period of the LPFG, the more cycles are contained in the same fiber length, and the more easily the fiber is damaged.
For å bekrefte denne ideen valgte forfatterne LMA-PM-40-FUD-fiberen med en modusfeltdiameter på opptil 32 μm i skjema 3. LPFG-perioden er beregnet til å være ca. 9 cm, og 9 cm fiberlengde er mindre enn én syklus, så den teoretiske fiberskadeeffekten forårsaket av LPFG vil forsvinne. Eksperimentelt forblir det optiske systemet i skjema 3 også stabilt etter 2000 timers akkumulert drift.
Fig. 2 Skjematisk diagram av en multiparameter avstembar femtosekund lyskilde basert på en fiber ikke-lineær omformer
Figur 2 representerer den flerparameter avstembare femtosekund-lyskilden bygget av forfatterne basert på skjema 3. Hele lyskilden består av et pp-FCPA-system med en repetisjonsfrekvens som kan justeres fra 1-10 MHz som front-end, og en fotonisk krystallfiber som unngår den optiske skaden forårsaket av LPFG som enheten som genererer superkontinuumspekteret, dvs. den ikke-lineære fiberomformeren (FNWC). Den spektralt utvidede pulsen ledes inn i en programmerbar pulsformer. Ved å velge et spesifikt filtervindu og mengde dispersjonskompensasjon, kan senterbølgelengden stilles inn i området 950-1110 nm og pulsbredden kan stilles inn i området 40-400 fs. I tillegg kan den endelige utgangspulsen overføres med en seksjon av lavdispersjon Kagome hulkjernet fiberoptisk patchkabel, slik at denne lyskilden enkelt kan byttes mellom ulike applikasjonsmoduler.
Oppsummert har forfatterne utviklet et pålitelig tilbehør med tung frekvens, bølgelengde og pulsbredde for femtosekund fiberlasere som er i det vesentlige justerbar, forklarer og undertrykker optisk skade i det koblede fibersystemet, og hvis tilsvarende integrerte lasersystem har en høy grad av stabilitet, som forventes å utvide bruken av avstembare ultraraske lasere innen biologiske og medisinske felt.
