Multiparameter avstämbar ultrasnabb fiber lasrar har driven den utvecklingen av många framväxande områden av femtosekund biomedicinsk fotonik. Sedan det är svårt till oberoende tune the three parameters of center wavelength, repetition frequency and pulse width with guaranteed output pulse energy for solid-state ultrafast lasers, femtosecond biomedical photonics usually employs a pulselektiv fiber chirped puls amplifier (pp-FCPA) kopplad med an optisk parametrisk amplifier (OPA) as the driving light source. Men, den skrymmande rumsliga komponenterna av den OPA mycket påverkar strålen kvalitet och miljö immunitet av systemet, och den tråkiga rutin underhåll är bortom den kunskapen om liv forskare. Därför, i ordning till ersätt den OPA teknik och utnyttja fördelarna av den pp-FCPA system, författarna utvecklad a våglängd-tunable femtosekund ljus källa baserad på superkontinuum generation.
Fig. 1 Tre sätt av superkontinuum generation
Figur 1 illustrerar tre vanliga metoder för genererar a superkontinuum spektrum. Metod 1 använder an all-fiber fusion arkitektur, som erbjuder de mest kompakt konstruktion och utmärkt miljö stabilitet, men fiber bärs mestadels picosekund lasrar, vanligtvis hittad i kommersiella lasrar. Metod 2, på den andra hand, använder a kommersiellt tillgänglig stängning med fiber ände lock och läge expansion som a olinjär våglängd omvandlare bifogad till a titan safir oscillator till stöd våglängd omvandling för femtosekund pulser. Metod 3 är liknande till Metod 2, men kombinerar a pp-FPCA front end med fördelarna av fiber optik by koppling högenergi femtosekund pulser till a sektion av fotonisk kristall fiber till producera a koherent superkontinuum spektrum. It är detta tredje tillvägagångssätt det författarna anställer i detta papper.
Men, it var experimentellt hittat att den optiska fiber används för superkontinuum generation är typiskt skadad efter om 100 timmar av kumulativ drift. Irreversibel optisk skada mycket gränser den livstiden av a superkontinuum källa. Därför, där är a stor behöver att bestämma den principen av denna optiska skada i ordning till hitta betyder att kringgå den. Om den optiska skadan orsakas av luftburna föroreningar i a icke-superrenrum miljö och/ör rumslig koppling av hög topp effekt vid fiber slutyta, it kan adresseras av kommersiellt tillgänglig fotonisk kristall fiber ändkapslar eller av kollapsar a a specifik bländare i den fiber slutytan.
Tabell 1 Tre experimentella scenarier för superkontinuum generering
Tabell 1 listor de tre experimentella scheman används av författarna till studie fiber skador mekanismer. Schema 1 kopplad an ingång puls med a central våglängd av av 1030 nm, a repetition frekvens av 10 MHz, och a puls bredd av 280 fs into a 25 cm sektion av LMA-PM-15 fiber, och efter upprepade experiment, alla av dem hittade det den fiber var skadad efter 100 ± 40 timmar av kumulativ drift. Schema 2 använd a different enhet ljus källa och fotonisk kristall fiber, men toppen effekt densitet kopplad till den fiber änden yta förblev den samma som in Schema 1. Scenario 2, dock, visar optisk skada inom 10 ± 2 timmar. De två scheman differ in where the optical damage inträffar: the optical damage in scheme 1 is located <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.
To verify this idea, the authors chose the LMA-PM-40-FUD fiber with a mode field diameter of up to 32 μm in Scheme 3. Its LPFG period is calculated to be about 9 cm, and the 9 cm fiber length is less than one cycle, so the theoretical fiber damage effect caused by LPFG will disappear. Experimentally, the optical system of scheme 3 does also remain stable efter 2000 timmar av ackumulerad drift.
Fig. 2 Schematisk diagram av a multiparameter tunable femtosekund ljus källa baserad på a fiber olinjär omvandlare
Figure 2 represents the multi-parameter tunable femtosecond light source built by the authors based on Scheme 3. The whole light source consists of a pp-FCPA system with a repetition frequency tunable from 1-10 MHz as the front-end, and a photonic crystal fiber that avoids the optical damage caused by the LPFG as the unit that generates the supercontinuum spectrum, i.e., the fiber nonlinear converter (FNWC). The spectrally broadened pulse is directed into a programmable pulse shaper. By selecting a specific filter window and amount of dispersion compensation, the center wavelength can be tuned in the range of 950-1110 nm and the pulse width can be tuned in the range of 40-400 fs. In addition, the final output pulse can be transmitted with a section of low-dispersion Kagome hollow-core fiber optic patchcord, allowing this light source to be easily switched between different application modules.
In summary, the authors have developed a reliable heavy-frequency, wavelength, and pulse width accessory for femtosecond fiber lasers that is substantially tunable, explains and suppresses optical damage in the coupled fiber system, and whose corresponding integrated laser system has a high degree of stability, which is expected to broaden the applications of tunable ultrafast lasers in the biological and medical fields.
