Multi-parameter afstembare ultrahurtige fiberlasere har drevet udviklingen af mange nye områder inden for femtosekund biomedicinsk fotonik. Da det er vanskeligt uafhængigt at tune de tre parametre for centerbølgelængde, gentagelsesfrekvens og pulsbredde med garanteret udgangspulsenergi til ultrahurtige lasere i fast tilstand, anvender femtosekund biomedicinsk fotonik normalt en puls-selektiv fiber chirped puls forstærker (pp-FCPA) koblet med en optisk parametrisk forstærker (OPA) som drivlyskilde. Imidlertid påvirker de omfangsrige rumlige komponenter i OPA i høj grad systemets strålekvalitet og miljømæssige immunitet, og den kedelige rutinevedligeholdelse ligger uden for livsforskernes viden. For at erstatte OPA-teknologien og udnytte fordelene ved pp-FCPA-systemet udviklede forfatterne derfor en bølgelængdejusterbar femtosekund-lyskilde baseret på superkontinuumgenerering.
Fig. 1 Tre måder til generering af superkontinuum
Figur 1 illustrerer tre almindelige metoder til generering af et superkontinuumspektrum. Metode 1 bruger en fusionsarkitektur, der udelukkende består af fiber, som tilbyder den mest kompakte konstruktion og fremragende miljøstabilitet, men fiberen bærer for det meste picosekund-lasere, der almindeligvis findes i kommercielle lasere. Metode 2 bruger på den anden side en kommercielt tilgængelig lukning med fiberendehætter og modusudvidelse som en ikke-lineær bølgelængdekonverter, der er fastgjort til en titanium safiroscillator for at understøtte bølgelængdekonvertering for femtosekundpulser. Metode 3 ligner metode 2, men kombinerer en pp-FPCA-frontend med fordelene ved fiberoptik ved at koble højenergi-femtosekundimpulser til en sektion af fotonisk krystalfiber for at producere et sammenhængende superkontinuumspektrum. Det er denne tredje tilgang, forfatterne anvender i denne artikel.
Imidlertid blev det eksperimentelt fundet, at den optiske fiber, der anvendes til superkontinuumgenerering, typisk er beskadiget efter ca. 100 timers kumulativ drift. Irreversibel optisk skade begrænser i høj grad levetiden for en superkontinuumkilde. Derfor er der et stort behov for at bestemme princippet for denne optiske skade for at finde midler til at omgå den. Hvis den optiske skade er forårsaget af luftbårne forurenende stoffer i et ikke-supercleanroom-miljø og/eller rumlig kobling af høj spidseffekt ved fiberendefladen, kan det løses af kommercielt tilgængelige fotoniske krystalfiberendehætter eller ved at kollapse en specifik åbning i fiberendefladen .
Tabel 1 Tre eksperimentelle scenarier for generering af superkontinuum
Tabel 1 viser de tre eksperimentelle skemaer brugt af forfatterne til at studere fiberskademekanismer. Skema 1 koblede en inputimpuls med en central bølgelængde på 1030 nm, en gentagelsesfrekvens på 10 MHz og en impulsbredde på 280 fs ind i en 25 cm sektion af LMA-PM-15 fiber, og efter gentagne eksperimenter blev alle af dem fandt, at fiberen var beskadiget efter 100 ± 40 timers kumulativ drift. Skema 2 brugte en anden drevlyskilde og fotonisk krystalfiber, men den maksimale effekttæthed koblet til fiberendefladen forblev den samme som i skema 1. Scenarie 2 viser imidlertid optisk beskadigelse inden for 10 ± 2 timer. De to skemaer adskiller sig i, hvor den optiske skade opstår: den optiske skade i skema 1 er placeret<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 at bekræfte denne idé valgte forfatterne LMA-PM-40-FUD-fiberen med en tilstandsfeltdiameter på op til 32 μm i skema 3. Dens LPFG-periode er beregnet til at være omkring 9 cm, og fiberlængden på 9 cm er mindre end én cyklus, så den teoretiske fiberskadevirkning forårsaget af LPFG vil forsvinde. Eksperimentelt forbliver det optiske system i skema 3 også stabilt efter 2000 timers akkumuleret drift.
Fig. 2 Skematisk diagram af en multiparameter afstembar femtosekund lyskilde baseret på en fiber ikke-lineær konverter
Figur 2 repræsenterer den multi-parameter afstembare femtosekund lyskilde bygget af forfatterne baseret på skema 3. Hele lyskilden består af et pp-FCPA system med en gentagelsesfrekvens, der kan indstilles fra 1-10 MHz som front-end, og en fotonisk krystalfiber, der undgår den optiske skade forårsaget af LPFG som den enhed, der genererer superkontinuumspektret, dvs. den ikke-lineære fiberkonverter (FNWC). Den spektralt udvidede puls ledes ind i en programmerbar pulsformer. Ved at vælge et specifikt filtervindue og mængden af spredningskompensation kan centerbølgelængden indstilles i området 950-1110 nm, og pulsbredden kan indstilles i området 40-400 fs. Derudover kan den endelige udgangsimpuls transmitteres med en sektion af lav-dispersion Kagome hulkerne fiberoptisk patchcord, hvilket gør det muligt for denne lyskilde nemt at skifte mellem forskellige applikationsmoduler.
Sammenfattende har forfatterne udviklet et pålideligt tilbehør med høj frekvens, bølgelængde og pulsbredde til femtosekund fiberlasere, der i det væsentlige kan indstilles, forklarer og undertrykker optisk skade i det koblede fibersystem, og hvis tilsvarende integrerede lasersystem har en høj grad af stabilitet, hvilket forventes at udvide anvendelserne af afstembare ultrahurtige lasere på det biologiske og medicinske område.
