Multi-parameter afstembare ultrasnelle fiberlasers drijven veel opkomende gebieden van femtoseconde biomedische fotonica aan. Aangezien ultrasnelle lasers in vaste toestand moeilijk onafhankelijk van elkaar kunnen worden afgestemd op de drie parameters van centrale golflengte, herhalingsfrequentie en pulsbreedte met gegarandeerde uitgangspulsenergie, gebruikt femtoseconde biomedische fotonica meestal pulsselectieve single fiber chirped pulsversterkers (pp-FCPA) met optische parametrische versterkers (OPA's) als de drijvende lichtbron. De complexe ruimtelijke componenten van OPA hebben echter grote invloed op de straalkwaliteit en de omgevingsimmuniteit van het systeem, en het vervelende routineonderhoud gaat de kennis van levenswetenschappers te boven. Om de OPA-technologie te vervangen en te profiteren van het pp-FCPA-systeem, ontwikkelden de auteurs daarom een golflengte-afstembare femtoseconde lichtbron op basis van supercontinuümgeneratie.
Figuur 1 illustreert drie gebruikelijke methoden voor het genereren van het supercontinuümspectrum. Methode 1 maakt gebruik van een volledig glasvezelfusiearchitectuur, die de meest compacte structuur en uitstekende omgevingsstabiliteit heeft, maar de transmissie in de vezel is meestal picoseconde lasers, die vaak worden aangetroffen in commerciële lasers. Methode 2 gebruikt een commerciële sluiting met eindkappen van vezels en modusuitbreidingen als een extra niet-lineaire golflengteconverter voor titaniumsaffieroscillatoren om golflengteconversie van femtosecondepulsen te ondersteunen. Methode 3 is vergelijkbaar met methode 2, maar bevat een pp-FPCA front-end met vezelvoordelen door een hoogenergetische femtosecondepuls te koppelen aan een stuk fotonische kristalvezel om een coherent supercontinuümspectrum te produceren. Het is deze derde methode die de auteurs in dit artikel gebruiken.
Er werd echter gevonden dat de vezel die wordt gebruikt voor het genereren van supercontinuüm gewoonlijk beschadigd raakt na ongeveer 100 uur cumulatieve werking. Onomkeerbare optische schade beperkt de levensduur van de supercontinuümbron aanzienlijk. Daarom is het noodzakelijk om het principe van deze optische schade te bepalen om een manier te vinden om deze te omzeilen. Als de fotobeschadiging wordt veroorzaakt door verontreinigingen in de lucht in een niet-superschone kameromgeving en/of ruimtelijke koppeling van een hoog piekvermogen aan het eindvlak van de vezel, kan dit worden verholpen door in de handel verkrijgbare eindkappen van fotonische kristalvezels of door het samenvouwen van specifieke openingen in het eindvlak van de vezel. .
Tabel 1 somt de drie experimentele schema's op die door de auteurs zijn gebruikt om het schademechanisme van optische vezels te bestuderen. Schema 1 koppelde een ingangspuls met een centrale golflengte van 1030 nm, een herhalingsfrequentie van 10 MHz en een pulsbreedte van 280 fs in een stuk LMA-PM{7}}-vezel van 25 cm, en na herhaalde experimenten bleken alle ontdekte dat de vezel beschadigd was na 100 ± 40 uur cumulatieve werking. Schema 2 gebruikte een andere aandrijfbron en fotonische kristalvezel, maar de piekvermogensdichtheid gekoppeld aan het vezeleindvlak bleef hetzelfde als die van Schema 1. Schema 2 resulteert echter in fotobeschadiging binnen 10 ± 2 uur. De locatie waar de optische schade optreedt verschilt tussen deze twee scenario's: de optische schade in scenario 1 bevindt zich<10 cm from the incident end of the fiber, whereas the optical damage in scenario 2 is located <1 cm from the incident end of the fiber. This difference indicates that the cause of fiber damage is not air contaminants in the environment or the high peak power density at the time of 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 gratings (LPFG). When a pulse is coupled into the fiber, part of the energy enters the core while the other part is transmitted into the cladding. When the light from the core mode and the cladding mode interfere with each other and generate standing waves, an LPFG is written into the fiber. the shorter the period of the LPFG, the more periods are contained in the same fiber length, and the more easily the fiber is damaged.
Om dit idee te verifiëren, kozen de auteurs in Schema 3 voor de LMA-PM-40-FUD-vezel met een modusvelddiameter van 32 μm. De LPFG-periode werd berekend op ongeveer 9 cm en de vezellengte van 9 cm is minder dan één cyclus, dus het effect van vezelbeschadiging veroorzaakt door LPFG zal in theorie verdwijnen. Experimenteel blijft het optische systeem van schema 3 ook na 2000 bedrijfsuren stabiel.
Afbeelding 2 toont de multiparametrische afstembare femtoseconde lichtbron gebouwd door de auteurs op basis van Schema 3. De gehele lichtbron bestaat uit een pp-FCPA-systeem met een herhalingsfrequentie afstembaar vanaf 1-10 MHz als front-end, en een fotonisch kristal vezel die optische schade vermijdt die wordt veroorzaakt door LPFG als de eenheid die het supercontinue spectrum genereert, dwz een niet-lineaire vezelomzetter (FNWC). Na spectrale verbreding worden de pulsen naar een programmeerbare pulsvormer geleid. Door een specifiek filtervenster en dispersiecompensatie te selecteren, kan de centrale golflengte worden afgestemd in het bereik van 950-1110 nm en de pulsbreedte kan worden afgestemd in het bereik van 40-400 fs. Bovendien kan de uiteindelijke uitvoerpuls worden verzonden met een stuk Kagome-patchkabel met holle kern met lage dispersie, waardoor deze lichtbron eenvoudig kan worden geschakeld tussen verschillende toepassingsmodules.
Samenvattend hebben de auteurs een betrouwbaar accessoire ontwikkeld voor femtoseconde fiberlasers met substantiële afstembaarheid in termen van herfrequentie, golflengte en pulsbreedte, die optische schade in het gekoppelde vezelsysteem verklaart en onderdrukt, en waarvan het bijbehorende geïntegreerde lasersysteem zeer stabiel, veelbelovend om de toepassingen van afstembare ultrasnelle lasers op biologisch en medisch gebied te verbreden.
