Višeparametarski podesivi ultrabrzi vlaknasti laseri potaknuli su razvoj mnogih novih područja femtosekundne biomedicinske fotonike. Budući da je teško neovisno podesiti tri parametra središnje valne duljine, frekvenciju ponavljanja i širinu impulsa sa zajamčenom izlaznom energijom impulsa za ultrabrze lasere u čvrstom stanju, femtosekundna biomedicinska fotonika obično koristi spojeno pulsno selektivno fiber chirped pulse amplifier (pp-FCPA) s optičkim parametarskim pojačalom (OPA) kao izvorom pogonskog svjetla. Međutim, glomazne prostorne komponente OPA-e uvelike utječu na kvalitetu snopa i otpornost sustava na okoliš, a zamorno rutinsko održavanje je izvan znanja znanstvenika o životu. Stoga, kako bi zamijenili OPA tehnologiju i iskoristili prednosti pp-FCPA sustava, autori su razvili femtosekundni izvor svjetlosti podesive valne duljine koji se temelji na generiranju superkontinuuma.
Slika 1. Tri načina stvaranja superkontinuuma
Slika 1 ilustrira tri uobičajene metode za generiranje spektra superkontinuuma. Metoda 1 koristi arhitekturu fuzije svih vlakana, koja nudi najkompaktniju konstrukciju i izvrsnu stabilnost u okolišu, ali vlakna nose uglavnom pikosekundne lasere, koji se obično nalaze u komercijalnim laserima. Metoda 2, s druge strane, koristi komercijalno dostupan zatvarač s završnim poklopcima vlakana i ekspanzijom moda kao nelinearni pretvarač valne duljine spojen na oscilator od titan safira za podršku pretvorbe valne duljine za femtosekundne impulse. Metoda 3 slična je metodi 2, ali kombinira pp-FPCA prednji kraj s prednostima optičkih vlakana spajanjem visokoenergetskih femtosekundnih impulsa u dio fotonskih kristalnih vlakana kako bi se proizveo koherentni spektar superkontinuuma. Upravo ovaj treći pristup autori koriste u ovom radu.
Međutim, eksperimentalno je utvrđeno da se optičko vlakno koje se koristi za stvaranje superkontinuuma obično ošteti nakon otprilike 100 sati kumulativnog rada. Nepovratna optička oštećenja uvelike ograničavaju životni vijek izvora superkontinuuma. Stoga postoji velika potreba za utvrđivanjem principa ovog optičkog oštećenja kako bi se pronašli načini za njegovo zaobilaženje. Ako je optičko oštećenje uzrokovano onečišćenjima u zraku u okruženju koje nije super čista soba i/ili prostornim spajanjem velike vršne snage na kraju vlakna, to se može riješiti komercijalno dostupnim završnim poklopcima od fotonskih kristalnih vlakana ili skupljanjem određenog otvora na kraju vlakna .
Tablica 1 Tri eksperimentalna scenarija za stvaranje superkontinuuma
Tablica 1 navodi tri eksperimentalne sheme koje su autori koristili za proučavanje mehanizama oštećenja vlakana. Shema 1 spojila je ulazni impuls sa središnjom valnom duljinom od 1030 nm, frekvencijom ponavljanja od 10 MHz i širinom impulsa od 280 fs u dio LMA-PM-15 vlakna od 25 cm, a nakon ponovljenih eksperimenata, svi od njih su otkrili da je vlakno oštećeno nakon 100 ± 40 sati kumulativnog rada. Shema 2 koristila je drugačiji pogonski izvor svjetlosti i fotonsko kristalno vlakno, ali je vršna gustoća snage povezana s čeonom stranom vlakna ostala ista kao u Shemi 1. Scenarij 2, međutim, pokazuje optičko oštećenje unutar 10 ± 2 sata. Dvije se sheme razlikuju po tome gdje dolazi do optičkog oštećenja: nalazi se optičko oštećenje u shemi 1<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.
Kako bi potvrdili ovu ideju, autori su odabrali LMA-PM-40-FUD vlakno s promjerom modnog polja do 32 μm u shemi 3. Izračunato je da je njegov LPFG period oko 9 cm, a duljina vlakna 9 cm je manje od jednog ciklusa, tako da će teoretski učinak oštećenja vlakana uzrokovan LPFG-om nestati. Eksperimentalno, optički sustav sheme 3 također ostaje stabilan nakon 2000 sati akumuliranog rada.
Slika 2. Shematski dijagram višeparametarskog podesivog femtosekundnog izvora svjetlosti temeljenog na vlaknastom nelinearnom pretvaraču
Slika 2 predstavlja višeparametarski podesivi femtosekundni izvor svjetlosti koji su izradili autori na temelju sheme 3. Cijeli izvor svjetlosti sastoji se od pp-FCPA sustava s frekvencijom ponavljanja podesivom od 1-10 MHz kao prednjeg kraja, i fotonsko kristalno vlakno koje izbjegava optička oštećenja uzrokovana LPFG-om kao jedinicom koja generira superkontinualni spektar, tj. fiber nonlinear converter (FNWC). Spektralno prošireni impuls usmjerava se u programabilni oblikovatelj impulsa. Odabirom određenog prozora filtra i iznosa kompenzacije disperzije, središnja valna duljina može se podesiti u rasponu od 950-1110 nm, a širina impulsa može se ugoditi u rasponu od 40-400 fs. Osim toga, konačni izlazni impuls može se prenijeti dijelom Kagome optičkog kabla sa šupljom jezgrom niske disperzije, što omogućuje jednostavno prebacivanje ovog izvora svjetlosti između različitih aplikacijskih modula.
Ukratko, autori su razvili pouzdanu dodatnu opremu visoke frekvencije, valne duljine i širine pulsa za femtosekundne vlaknaste lasere koja je značajno podesiva, objašnjava i suzbija optička oštećenja u sustavu povezanih vlakana, i čiji odgovarajući integrirani laserski sustav ima visok stupanj stabilnost, za koju se očekuje da će proširiti primjenu podesivih ultrabrzih lasera u biološkim i medicinskim poljima.
