Τα λέιζερ υπερταχείας ίνας με δυνατότητα ρύθμισης πολλών παραμέτρων έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη πολλών αναδυόμενων περιοχών της βιοϊατρικής φωτονικής φεμτοδευτερολέπτου. Δεδομένου ότι είναι δύσκολο να συντονιστούν ανεξάρτητα οι τρεις παράμετροι του κεντρικού μήκους κύματος, της συχνότητας επανάληψης και του πλάτους παλμού με εγγυημένη ενέργεια παλμού εξόδου για υπεργρήγορα λέιζερ στερεάς κατάστασης, η βιοϊατρική φωτονική femtosecond συνήθως χρησιμοποιεί έναν ενισχυτή παλμών με παλμοεπιλεκτική ίνα (pp-FCPA) με έναν οπτικό παραμετρικό ενισχυτή (OPA) ως πηγή φωτός οδήγησης. Ωστόσο, τα ογκώδη χωρικά εξαρτήματα του OPA επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την ποιότητα της δέσμης και την περιβαλλοντική ανοσία του συστήματος και η κουραστική τακτική συντήρηση είναι πέρα από τη γνώση των επιστημόνων της ζωής. Ως εκ τούτου, προκειμένου να αντικαταστήσουν την τεχνολογία OPA και να αξιοποιήσουν τα πλεονεκτήματα του συστήματος pp-FCPA, οι συγγραφείς ανέπτυξαν μια πηγή φωτός femtosecond με δυνατότητα συντονισμού σε μήκος κύματος βασισμένη στη δημιουργία υπερσυνεχούς.
Εικ. 1 Τρεις τρόποι δημιουργίας υπερσυνεχούς
Το σχήμα 1 απεικονίζει τρεις κοινές μεθόδους για τη δημιουργία ενός υπερσυνεχούς φάσματος. Η μέθοδος 1 χρησιμοποιεί μια αρχιτεκτονική σύντηξης όλων των ινών, η οποία προσφέρει την πιο συμπαγή κατασκευή και εξαιρετική περιβαλλοντική σταθερότητα, αλλά η ίνα φέρει ως επί το πλείστον λέιζερ picosecond, που βρίσκονται συνήθως στα εμπορικά λέιζερ. Η μέθοδος 2, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιεί ένα εμπορικά διαθέσιμο κλείσιμο με ακραία καλύμματα ίνας και επέκταση τρόπου λειτουργίας ως μη γραμμικό μετατροπέα μήκους κύματος συνδεδεμένο σε έναν ταλαντωτή ζαφείρου τιτανίου για να υποστηρίξει τη μετατροπή μήκους κύματος για παλμούς femtosecond. Η Μέθοδος 3 είναι παρόμοια με τη Μέθοδο 2, αλλά συνδυάζει ένα μπροστινό άκρο pp-FPCA με τα πλεονεκτήματα των οπτικών ινών συνδέοντας παλμούς femtosecond υψηλής ενέργειας σε ένα τμήμα φωτονικής κρυσταλλικής ίνας για την παραγωγή ενός συνεκτικού υπερσυνεχούς φάσματος. Είναι αυτή η τρίτη προσέγγιση που χρησιμοποιούν οι συγγραφείς σε αυτή την εργασία.
Ωστόσο, διαπιστώθηκε πειραματικά ότι η οπτική ίνα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υπερσυνέχειας συνήθως καταστρέφεται μετά από περίπου 100 ώρες αθροιστικής λειτουργίας. Η μη αναστρέψιμη οπτική βλάβη περιορίζει σημαντικά τη διάρκεια ζωής μιας πηγής υπερσυνέχειας. Επομένως, υπάρχει μεγάλη ανάγκη να προσδιοριστεί η αρχή αυτής της οπτικής βλάβης προκειμένου να βρεθούν μέσα για την παράκαμψή της. Εάν η οπτική βλάβη προκαλείται από ατμοσφαιρικούς ρύπους σε περιβάλλον μη υπερκαθαρό δωμάτιο ή/και χωρική σύζευξη υψηλής ισχύος αιχμής στην ακραία επιφάνεια της ίνας, μπορεί να αντιμετωπιστεί από εμπορικά διαθέσιμα τελικά καλύμματα φωτονικών κρυστάλλων ή με την κατάρρευση ενός συγκεκριμένου ανοίγματος στην ακραία επιφάνεια της ίνας .
Πίνακας 1 Τρία πειραματικά σενάρια για την παραγωγή υπερσυνεχούς
Ο Πίνακας 1 παραθέτει τα τρία πειραματικά σχήματα που χρησιμοποιήθηκαν από τους συγγραφείς για τη μελέτη μηχανισμών βλάβης των ινών. Το σχήμα 1 συνέδεσε έναν παλμό εισόδου με κεντρικό μήκος κύματος 1030 nm, συχνότητα επανάληψης 10 MHz και πλάτος παλμού 280 fs σε ένα τμήμα 25 cm ίνας LMA-PM-15 και μετά από επαναλαμβανόμενα πειράματα, όλα από αυτούς διαπίστωσαν ότι η ίνα είχε καταστραφεί μετά από 100 ± 40 ώρες αθροιστικής λειτουργίας. Το Σχήμα 2 χρησιμοποίησε διαφορετική πηγή φωτός μετάδοσης κίνησης και ίνα φωτονικών κρυστάλλων, αλλά η πυκνότητα μέγιστης ισχύος σε συνδυασμό με την ακραία όψη της ίνας παρέμεινε η ίδια όπως στο Σχήμα 1. Ωστόσο, το σενάριο 2 δείχνει οπτική βλάβη εντός 10 ± 2 ωρών. Τα δύο σχήματα διαφέρουν ως προς το πού συμβαίνει η οπτική βλάβη: η οπτική βλάβη στο σχήμα 1 εντοπίζεται<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.
Για να επαληθεύσουν αυτήν την ιδέα, οι συγγραφείς επέλεξαν την ίνα LMA-PM-40-FUD με διάμετρο πεδίου λειτουργίας έως και 32 μm στο Σχήμα 3. Η περίοδος LPFG της υπολογίζεται ότι είναι περίπου 9 cm και το μήκος της ίνας 9 cm είναι μικρότερος από έναν κύκλο, επομένως το θεωρητικό αποτέλεσμα βλάβης των ινών που προκαλείται από το LPFG θα εξαφανιστεί. Πειραματικά, το οπτικό σύστημα του σχήματος 3 παραμένει επίσης σταθερό μετά από 2000 ώρες συσσωρευμένης λειτουργίας.
Εικ. 2 Σχηματικό διάγραμμα μιας πολυπαραμετρικής συντονισμένης πηγής φωτός femtosecond που βασίζεται σε μη γραμμικό μετατροπέα ινών
Το Σχήμα 2 αντιπροσωπεύει την πολλαπλών παραμέτρων συντονισμένη πηγή φωτός femtosecond που κατασκευάστηκε από τους συγγραφείς με βάση το Σχήμα 3. Ολόκληρη η πηγή φωτός αποτελείται από ένα σύστημα pp-FCPA με συχνότητα επανάληψης που μπορεί να συντονιστεί από 1-10 MHz ως το μπροστινό μέρος, και μια φωτονική κρυσταλλική ίνα που αποφεύγει την οπτική βλάβη που προκαλείται από το LPFG ως τη μονάδα που δημιουργεί το υπερσυνεχές φάσμα, δηλαδή τον μη γραμμικό μετατροπέα ινών (FNWC). Ο φασματικά διευρυμένος παλμός κατευθύνεται σε έναν προγραμματιζόμενο διαμορφωτή παλμών. Επιλέγοντας ένα συγκεκριμένο παράθυρο φίλτρου και ποσό αντιστάθμισης διασποράς, το κεντρικό μήκος κύματος μπορεί να συντονιστεί στην περιοχή των 950-1110 nm και το πλάτος παλμού μπορεί να συντονιστεί στην περιοχή των 40-400 fs. Επιπρόσθετα, ο τελικός παλμός εξόδου μπορεί να μεταδοθεί με ένα τμήμα του καλωδίου οπτικών ινών κοίλου πυρήνα Kagome χαμηλής διασποράς, επιτρέποντας σε αυτήν την πηγή φωτός να εναλλάσσεται εύκολα μεταξύ διαφορετικών μονάδων εφαρμογής.
Συνοπτικά, οι συγγραφείς έχουν αναπτύξει ένα αξιόπιστο εξάρτημα βαριάς συχνότητας, μήκους κύματος και πλάτους παλμού για λέιζερ ινών femtosecond, το οποίο είναι ουσιαστικά συντονισμένο, εξηγεί και καταστέλλει την οπτική βλάβη στο σύστημα συζευγμένων ινών και του οποίου το αντίστοιχο ενσωματωμένο σύστημα λέιζερ έχει υψηλό βαθμό σταθερότητας, η οποία αναμένεται να διευρύνει τις εφαρμογές των συντονίσιμων υπερταχέων λέιζερ στον βιολογικό και ιατρικό τομέα.
