Wieloparametrowo przestrajalne ultraszybkie lasery światłowodowe przyczyniły się do rozwoju wielu nowych obszarów femtosekundowej fotoniki biomedycznej. Ponieważ trudno jest niezależnie dostroić trzy parametry: środkową długość fali, częstotliwość powtarzania i szerokość impulsu przy gwarantowanej wyjściowej energii impulsu dla ultraszybkich laserów na ciele stałym, femtosekundowa fotonika biomedyczna zwykle wykorzystuje selektywny impulsowo wzmacniacz impulsów światłowodowych (pp-FCPA) sprzężony z optycznym wzmacniaczem parametrycznym (OPA) jako źródłem światła drogowego. Jednak nieporęczne przestrzenne komponenty OPA mają ogromny wpływ na jakość wiązki i odporność systemu na środowisko, a żmudna rutynowa konserwacja wykracza poza wiedzę naukowców zajmujących się biologią. Dlatego też, chcąc zastąpić technologię OPA i wykorzystać zalety układu pp-FCPA, autorzy opracowali femtosekundowe źródło światła o przestrajalnej długości fali, oparte na generacji superkontinuum.
Rys. 1 Trzy sposoby generacji superkontinuum
Rysunek 1 ilustruje trzy popularne metody generowania widma superkontinuum. Metoda 1 wykorzystuje architekturę termojądrową obejmującą wyłącznie włókna światłowodowe, co zapewnia najbardziej zwartą konstrukcję i doskonałą stabilność środowiskową, ale włókno przenosi głównie lasery pikosekundowe, powszechnie spotykane w laserach komercyjnych. Z drugiej strony metoda 2 wykorzystuje dostępne w handlu zamknięcie z zaślepkami włókien i rozszerzeniem trybu w postaci nieliniowego konwertera długości fali podłączonego do tytanowo-szafirowego oscylatora w celu wspomagania konwersji długości fali dla impulsów femtosekundowych. Metoda 3 jest podobna do metody 2, ale łączy interfejs pp-FPCA z zaletami światłowodów poprzez sprzęganie wysokoenergetycznych impulsów femtosekundowych z sekcją światłowodu z kryształu fotonicznego w celu wytworzenia spójnego widma superkontinuum. Autorzy artykułu zastosowali właśnie to trzecie podejście.
Jednakże eksperymentalnie stwierdzono, że światłowód używany do generowania superkontinuum ulega zazwyczaj uszkodzeniu po około 100 godzinach łącznej pracy. Nieodwracalne uszkodzenia optyczne znacznie ograniczają żywotność źródła superkontinuum. Dlatego istnieje ogromna potrzeba określenia zasady tego uszkodzenia optycznego, aby znaleźć sposób na jego obejście. Jeśli uszkodzenie optyczne jest spowodowane zanieczyszczeniami unoszącymi się w powietrzu w środowisku innym niż superczyste pomieszczenie i/lub sprzężeniem przestrzennym dużej mocy szczytowej na czole światłowodu, można temu zaradzić, stosując dostępne na rynku zaślepki światłowodów z kryształu fotonicznego lub zapadając się w specjalną aperturę na czole światłowodu .
Tabela 1 Trzy scenariusze eksperymentalne generacji superkontinuum
W tabeli 1 wymieniono trzy schematy eksperymentalne zastosowane przez autorów do badania mechanizmów uszkodzenia włókien. Na schemacie 1 impuls wejściowy o środkowej długości fali 1030 nm, częstotliwości powtarzania 10 MHz i szerokości impulsu 280 fs połączono z 25-centymetrowym odcinkiem światłowodu LMA-PM-15 i po wielokrotnych eksperymentach wszystkie z nich stwierdziło, że włókno uległo uszkodzeniu po 100 ± 40 godzinach łącznej pracy. Na schemacie 2 zastosowano inne źródło światła napędowego i włókno z kryształu fotonicznego, ale szczytowa gęstość mocy w połączeniu z powierzchnią czołową światłowodu pozostała taka sama jak na schemacie 1. Jednakże scenariusz 2 pokazuje uszkodzenie optyczne w ciągu 10 ± 2 godzin. Obydwa schematy różnią się miejscem wystąpienia uszkodzenia optycznego: umiejscowione jest uszkodzenie optyczne na schemacie 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.
Aby zweryfikować tę tezę, na schemacie 3 autorzy wybrali włókno LMA-PM-40-FUD o średnicy pola modowego do 32 μm. Jego okres LPFG obliczono na około 9 cm, a długość włókna na 9 cm jest krótszy niż jeden cykl, więc teoretyczny efekt uszkodzenia włókien spowodowany przez LPFG zniknie. Eksperymentalnie układ optyczny ze schematu 3 pozostaje stabilny również po 2000 godzinach skumulowanej pracy.
Rys. 2 Schemat ideowy wieloparametrowego przestrajalnego femtosekundowego źródła światła opartego na światłowodowym przetworniku nieliniowym
Rysunek 2 przedstawia wieloparametrowe, przestrajalne femtosekundowe źródło światła zbudowane przez autorów w oparciu o Schemat 3. Całe źródło światła składa się z układu pp-FCPA z częstotliwością powtarzania przestrajalną od 1-10 MHz jako moduł czołowy, oraz włókno kryształu fotonicznego, które pozwala uniknąć uszkodzeń optycznych powodowanych przez LPFG jako jednostkę generującą widmo superkontinuum, tj. światłowodowy konwerter nieliniowy (FNWC). Spektralnie poszerzony impuls kierowany jest do programowalnego układu kształtującego impuls. Wybierając określone okno filtra i wielkość kompensacji dyspersji, środkową długość fali można dostroić w zakresie 950-1110 nm, a szerokość impulsu można dostroić w zakresie 40-400 fs. Ponadto końcowy impuls wyjściowy może być przesyłany za pomocą odcinka patchcordu światłowodowego Kagome o niskiej dyspersji z pustym rdzeniem, co pozwala na łatwe przełączanie tego źródła światła pomiędzy różnymi modułami aplikacji.
Podsumowując, autorzy opracowali niezawodne akcesorium do femtosekundowych laserów światłowodowych obsługujące wysoką częstotliwość, długość fali i szerokość impulsu, które jest zasadniczo przestrajalne, wyjaśnia i tłumi uszkodzenia optyczne w układzie połączonych włókien i którego odpowiedni zintegrowany system laserowy charakteryzuje się wysokim stopniem stabilności, co ma poszerzyć zastosowanie przestrajalnych ultraszybkich laserów w biologii i medycynie.
