Multiparameter avstämbara ultrasnabba fiberlasrar driver många framväxande områden inom femtosekunds biomedicinsk fotonik. Eftersom solid-state ultrasnabba lasrar är svåra att oberoende ställa in de tre parametrarna central våglängd, repetitionsfrekvens och pulsbredd med garanterad utpulsenergi, använder femtosekunds biomedicinsk fotonik vanligtvis pulsselektiva enfiber pipande pulsförstärkare (pp-FCPA) med optisk parametrisk parameter. förstärkare (OPA) som drivljuskälla. Men de komplexa rumsliga komponenterna i OPA påverkar i hög grad strålkvaliteten och miljöimmuniteten hos systemet, och det tråkiga rutinunderhållet ligger bortom livsforskarnas kunskap. Därför, för att ersätta OPA-tekniken och dra fördel av pp-FCPA-systemet, utvecklade författarna en våglängdsjusterbar femtosekundsljuskälla baserad på superkontinuumgenerering.
Figur 1 illustrerar tre vanliga metoder för att generera superkontinuumspektrat. Metod 1 använder en helfiberfusionsarkitektur, som har den mest kompakta strukturen och utmärkt miljöstabilitet, men transmissionen i fibern är mestadels pikosekundslasrar, som vanligtvis finns i kommersiella lasrar. Metod 2 använder en kommersiell förslutning med fiberändkapslar och modförlängningar som en extra olinjär våglängdsomvandlare för titansafiroscillatorer för att stödja våglängdsomvandling av femtosekundpulser. Metod 3 liknar metod 2, men innehåller en pp-FPCA front-end med fiberfördelar genom att koppla en högenergifemtosekundpuls till en sektion av fotonisk kristallfiber för att producera ett koherent superkontinuumspektrum. Det är denna tredje metod som författarna använder i denna artikel.
Det visade sig emellertid att fibern som används för superkontinuumgenerering vanligtvis skadas efter cirka 100 timmars kumulativ drift. Irreversibel optisk skada begränsar avsevärt livslängden för superkontinuumkällan. Därför är det nödvändigt att bestämma principen för denna optiska skada för att hitta ett sätt att kringgå den. Om fotoskadan orsakas av luftburna föroreningar i en icke-superren rumsmiljö och/eller rumslig koppling av hög toppeffekt vid fiberänden, kan den åtgärdas med kommersiellt tillgängliga fotoniska kristallfiberändlock eller genom att kollapsa specifika öppningar i fiberänden .
Tabell 1 listar de tre experimentella scheman som används av författarna för att studera skademekanismen hos optiska fibrer. Schema 1 kopplade en ingångspuls med en central våglängd på 1030 nm, en repetitionsfrekvens på 10 MHz och en pulsbredd på 280 fs till en 25 cm sektion av LMA-PM-15 fiber, och efter upprepade experiment, alla fann att fibern var skadad efter 100 ± 40 timmars kumulativ drift. Schema 2 använde en annan drivkälla och fotonisk kristallfiber, men toppeffekttätheten kopplad till fiberändytan förblev densamma som den i Schema 1. Schema 2 resulterar emellertid i fotoskada inom 10 ± 2 timmar. Platsen där den optiska skadan uppstår skiljer sig mellan dessa två scenarier: den optiska skadan i scenario 1 är lokaliserad<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.
För att verifiera denna idé valde författarna LMA-PM-40-FUD-fibern med en modfältsdiameter på 32 μm i Schema 3. LPFG-perioden beräknades till cirka 9 cm, och fiberlängden på 9 cm är mindre än en cykel, så fiberskadaeffekten orsakad av LPFG kommer teoretiskt att försvinna. Experimentellt förblir det optiska systemet enligt schema 3 också stabilt efter 2000 timmars kumulativ drift.
Figur 2 visar den multiparametriska avstämbara femtosekundsljuskällan byggd av författarna baserat på Schema 3. Hela ljuskällan består av ett pp-FCPA-system med en repetitionsfrekvens avstämbar från 1-10 MHz som frontend, och en fotonisk kristall fiber som undviker optisk skada orsakad av LPFG som den enhet som genererar det superkontinuerliga spektrumet, dvs. en icke-linjär fiberomvandlare (FNWC). Efter spektral breddning riktas pulserna till en programmerbar pulsformare. Genom att välja ett specifikt filterfönster och spridningskompensationsmängd kan den centrala våglängden ställas in i området 950-1110 nm och pulsbredden kan ställas in i området 40-400 fs. Dessutom kan den slutliga utgångspulsen överföras med en sektion av Kagome-kagome ihålig fiberpatchkabel med låg dispersion, vilket gör att denna ljuskälla enkelt kan växlas mellan olika applikationsmoduler.
Sammanfattningsvis har författarna utvecklat ett tillförlitligt tillbehör för femtosekundfiberlasrar med betydande avstämningsförmåga vad gäller återfrekvens, våglängd och pulsbredd, vilket förklarar och undertrycker optisk skada i det kopplade fibersystemet, och vars motsvarande integrerade lasersystem är mycket högt. stabil och lovar att bredda tillämpningarna av avstämbara ultrasnabba lasrar inom biologiska och medicinska områden.
