Višeparametarski podesivi ultrabrzi vlaknasti laseri pokreću mnoga nova područja femtosekundne biomedicinske fotonike. Budući da je ultrabrzim laserima u čvrstom stanju teško neovisno podesiti tri parametra središnje valne duljine, frekvenciju ponavljanja i širinu impulsa sa zajamčenom energijom izlaznog impulsa, femtosekundna biomedicinska fotonika obično koristi impulsno selektivna jednostruka vlaknasta impulsna pojačala (pp-FCPA) s optičkim parametarskim pojačala (OPA) kao izvor pogonskog svjetla. Međutim, složene prostorne komponente OPA-e uvelike utječu na kvalitetu snopa i otpornost sustava na okoliš, a zamorno rutinsko održavanje je izvan znanja prirodnih znanstvenika. 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 stvaranju superkontinuuma.
Slika 1 ilustrira tri uobičajene metode za generiranje spektra superkontinuuma. Metoda 1 koristi arhitekturu fuzije svih vlakana, koja ima najkompaktniju strukturu i izvrsnu stabilnost na okoliš, ali prijenos u vlaknu uglavnom je pikosekundni laser, koji se obično nalazi u komercijalnim laserima. Metoda 2 koristi komercijalni zatvarač s završnim poklopcima vlakana i proširenjima moda kao dodatni nelinearni pretvarač valne duljine za oscilatore od titan safira za podršku pretvorbe valne duljine femtosekundnih impulsa. Metoda 3 slična je metodi 2, ali uključuje pp-FPCA front-end s prednostima vlakana spajanjem visokoenergetskog femtosekundnog pulsa u dio fotoničkih kristalnih vlakana kako bi se proizveo koherentni spektar superkontinuuma. Ovo je treća metoda koju autori koriste u ovom radu.
Međutim, utvrđeno je da se vlakno koje se koristi za stvaranje superkontinuuma obično ošteti nakon otprilike 100 sati kumulativnog rada. Nepovratna optička oštećenja značajno ograničavaju životni vijek izvora superkontinuuma. Stoga je potrebno utvrditi princip ovog optičkog oštećenja kako bi se pronašao način da ga se zaobiđe. Ako je fotooštećenje uzrokovano zagađivačima u zraku u okruženju nesuper čiste prostorije i/ili prostornom spregom visoke vršne snage na kraju vlakna, to se može riješiti komercijalno dostupnim završnim poklopcima od fotonskih kristalnih vlakana ili skupljanjem specifičnih otvora na kraju vlakna .
Tablica 1 navodi tri eksperimentalne sheme koje su autori koristili za proučavanje mehanizma oštećenja optičkih 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 otkrili da je vlakno oštećeno nakon 100 ± 40 sati kumulativnog rada. Shema 2 koristila je drugačiji izvor pogona i fotonsko kristalno vlakno, ali je vršna gustoća snage spojena na čeonu površinu vlakna ostala ista kao ona u shemi 1. Shema 2, međutim, rezultira fotooštećenjem unutar 10 ± 2 sata. Mjesto na kojem dolazi do optičkog oštećenja razlikuje se između ova dva scenarija: nalazi se optičko oštećenje u scenariju 1<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.
Kako bi potvrdili ovu ideju, autori su odabrali LMA-PM-40-FUD vlakno s promjerom modnog polja od 32 μm u shemi 3. Period LPFG izračunat je na oko 9 cm, a duljina vlakna od 9 cm je manje od jednog ciklusa, tako da će učinak oštećenja vlakana uzrokovan LPFG-om teoretski nestati. Eksperimentalno, optički sustav sheme 3 također ostaje stabilan nakon 2000 sati kumulativnog rada.
Slika 2 prikazuje 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 koja se može podesiti od 1-10 MHz kao prednjeg kraja i fotonskog kristala vlakno izbjegavajući optička oštećenja uzrokovana LPFG kao jedinicom koja generira superkontinuirani spektar, tj. optički nelinearni pretvarač (FNWC). Nakon spektralnog proširenja impulsi se usmjeravaju na 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 s dijelom Kagome kabela sa šupljim vlaknima niske disperzije, što omogućuje jednostavno prebacivanje ovog izvora svjetlosti između različitih aplikacijskih modula.
Ukratko, autori su razvili pouzdani dodatak za femtosekundne vlaknaste lasere sa značajnom mogućnošću podešavanja u smislu ponovne frekvencije, valne duljine i širine impulsa, koji objašnjava i suzbija optička oštećenja u sustavu povezanih vlakana, i čiji je odgovarajući integrirani laserski sustav visoko stabilan, koji obećava proširenje primjene podesivih ultrabrzih lasera u biološkim i medicinskim poljima.
