Wieloparametrowe przestrajalne ultraszybkie lasery światłowodowe napędzają wiele nowych obszarów fotoniki biomedycznej femtosekundowej. Ponieważ ultraszybkie lasery na ciele stałym są trudne do niezależnego dostrojenia trzech parametrów centralnej długości fali, częstotliwości powtarzania i szerokości impulsu z gwarantowaną energią wyjściową impulsu, fotonika biomedyczna femtosekundowa zwykle wykorzystuje selektywne impulsowo wzmacniacze pulsacyjne z pojedynczym włóknem (pp-FCPA) z optycznymi parametrami wzmacniacze (OPA) jako źródło światła drogowego. Jednak złożone komponenty przestrzenne OPA znacznie wpływają na jakość wiązki i odporność systemu na środowisko, a żmudna rutynowa konserwacja wykracza poza wiedzę naukowców zajmujących się naukami przyrodniczymi. Dlatego, aby zastąpić technologię OPA i skorzystać z systemu pp-FCPA, autorzy opracowali femtosekundowe źródło światła z przestrajalną długością fali, oparte na generowaniu superkontinuum.
Rysunek 1 ilustruje trzy popularne metody generowania widma supercontinuum. Metoda 1 wykorzystuje architekturę fuzji światłowodowej, która ma najbardziej zwartą strukturę i doskonałą stabilność środowiskową, ale transmisja we włóknie to głównie lasery pikosekundowe, powszechnie spotykane w laserach komercyjnych. Metoda 2 wykorzystuje komercyjne zamknięcie z zaślepkami włókien i rozszerzeniami modowymi jako dodatkowy nieliniowy konwerter długości fali dla oscylatorów tytanowo-szafirowych do obsługi konwersji długości fali impulsów femtosekundowych. Metoda 3 jest podobna do metody 2, ale zawiera interfejs pp-FPCA z zaletami światłowodu poprzez połączenie wysokoenergetycznego impulsu femtosekundowego z sekcją światłowodu fotonicznego w celu wytworzenia spójnego widma superkontinuum. Tę trzecią metodę autorzy stosują w niniejszym artykule.
Stwierdzono jednak, że włókno stosowane do generowania supercontinuum zwykle ulega zniszczeniu po około 100 godzinach skumulowanej pracy. Nieodwracalne uszkodzenia optyczne znacznie ograniczają żywotność źródła supercontinuum. Dlatego konieczne jest określenie zasady tego uszkodzenia optycznego, aby znaleźć sposób na jego obejście. Jeśli fotouszkodzenie jest spowodowane przez zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu w niesuperczystym środowisku pokojowym i/lub przestrzenne sprzężenie wysokiej mocy szczytowej na powierzchni czołowej światłowodu, można temu zaradzić, stosując dostępne w handlu zaślepki światłowodów z kryształu fotonicznego lub zamykając określone otwory w powierzchni czołowej światłowodu .
W tabeli 1 zestawiono trzy schematy eksperymentalne zastosowane przez autorów do badania mechanizmu uszkodzeń światłowodów. Na schemacie 1 połączono impuls wejściowy o centralnej długości fali 1030 nm, częstotliwości powtarzania 10 MHz i szerokości impulsu 280 fs na 25-centymetrowym odcinku włókna LMA-PM{7}}, a po wielokrotnych eksperymentach wszystkie stwierdzili, że włókno uległo uszkodzeniu po 100 ± 40 godzinach skumulowanej pracy. Schemat 2 wykorzystywał inne źródło napędu i światłowód z kryształu fotonicznego, ale szczytowa gęstość mocy sprzężona z powierzchnią czołową włókna pozostała taka sama jak na schemacie 1. Jednak schemat 2 powoduje fotouszkodzenie w ciągu 10 ± 2 godzin. Lokalizacja, w której występuje uszkodzenie optyczne, różni się w tych dwóch scenariuszach: uszkodzenie optyczne w scenariuszu 1 jest umiejscowione<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.
Aby zweryfikować ten pomysł, autorzy wybrali włókno LMA-PM{1}}FUD o średnicy pola modowego 32 μm na Schemacie 3. Okres LPFG obliczono na około 9 cm, a długość włókna 9 cm to mniej niż jeden cykl, więc efekt uszkodzenia włókien spowodowany przez LPFG teoretycznie zniknie. Eksperymentalnie, układ optyczny ze schematu 3 również pozostaje stabilny po 2000 godzin skumulowanej pracy.
Rysunek 2 przedstawia wieloparametryczne przestrajalne femtosekundowe źródło światła zbudowane przez autorów w oparciu o schemat 3. Całe źródło światła składa się z systemu pp-FCPA z częstotliwością powtarzania dostrajaną od 1-10 MHz jako front-end oraz kryształu fotonicznego światłowód unikający uszkodzeń optycznych powodowanych przez LPFG jako jednostkę generującą widmo nadciągłe, czyli światłowodowy konwerter nieliniowy (FNWC). Po poszerzeniu widma impulsy są kierowane do programowalnego układu kształtowania impulsów. Wybierając określone okno filtra i wielkość kompensacji dyspersji, centralną 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 kabla krosowego Kagome z pustym rdzeniem o niskiej dyspersji, co umożliwia łatwe przełączanie tego źródła światła między różnymi modułami aplikacyjnymi.
Podsumowując, autorzy opracowali niezawodne akcesorium do femtosekundowych laserów światłowodowych o znacznej możliwości przestrajania pod względem częstotliwości ponownej, długości fali i szerokości impulsu, które wyjaśnia i tłumi uszkodzenia optyczne w sprzężonym systemie światłowodowym i którego odpowiedni zintegrowany system laserowy jest wysoce stabilne, obiecujące rozszerzenie zastosowań przestrajalnych ultraszybkich laserów w dziedzinach biologicznych i medycznych.
