Τα ρυθμιζόμενα πολλαπλών παραμέτρων λέιζερ υπερταχείας ίνας οδηγούν σε πολλούς αναδυόμενους τομείς της βιοϊατρικής φωτονικής femtosecond. Δεδομένου ότι τα υπεργρήγορα λέιζερ στερεάς κατάστασης είναι δύσκολο να συντονιστούν ανεξάρτητα τις τρεις παραμέτρους του κεντρικού μήκους κύματος, της συχνότητας επανάληψης και του πλάτους παλμού με εγγυημένη ενέργεια παλμού εξόδου, η βιοϊατρική φωτονική femtosecond συνήθως χρησιμοποιεί ενισχυτές παλμών με μονή ίνα (pp-FCPA) με επιλογή παλμών (pp-FCPA) με οπτικό παραμετρικό ενισχυτές (OPA) ως πηγή φωτός οδήγησης. Ωστόσο, τα πολύπλοκα χωρικά στοιχεία 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, για να αντικαταστήσουν την τεχνολογία OPA και να επωφεληθούν από το σύστημα pp-FCPA, οι συγγραφείς ανέπτυξαν μια πηγή φωτός femtosecond με δυνατότητα συντονισμού σε μήκος κύματος βασισμένη στη δημιουργία υπερσυνεχούς.
Το σχήμα 1 απεικονίζει τρεις κοινές μεθόδους για τη δημιουργία του υπερσυνεχούς φάσματος. Η μέθοδος 1 χρησιμοποιεί μια αρχιτεκτονική σύντηξης όλων των ινών, η οποία έχει την πιο συμπαγή δομή και εξαιρετική περιβαλλοντική σταθερότητα, αλλά η μετάδοση στην ίνα είναι ως επί το πλείστον λέιζερ picosecond, που απαντώνται συνήθως στα εμπορικά λέιζερ. Η μέθοδος 2 χρησιμοποιεί ένα εμπορικό κλείσιμο με ακραία καλύμματα ινών και επεκτάσεις λειτουργίας ως πρόσθετο μετατροπέα μη γραμμικού μήκους κύματος για ταλαντωτές ζαφείρι τιτανίου για υποστήριξη της μετατροπής μήκους κύματος παλμών femtosecond. Η Μέθοδος 3 είναι παρόμοια με τη Μέθοδο 2, αλλά ενσωματώνει μια πρόσοψη pp-FPCA με πλεονεκτήματα ινών, συνδέοντας έναν παλμό femtosecond υψηλής ενέργειας σε ένα τμήμα ίνας φωτονικών κρυστάλλων για την παραγωγή ενός συνεκτικού υπερσυνεχούς φάσματος. Είναι αυτή η τρίτη μέθοδος που χρησιμοποιούν οι συγγραφείς σε αυτό το άρθρο.
Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι η 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 της πηγής υπερσυνέχειας. Επομένως, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η αρχή αυτής της οπτικής βλάβης προκειμένου να βρεθεί ένα μέσο παράκαμψής της. Εάν η φωτοζημία προκαλείται από ατμοσφαιρικούς ρύπους σε περιβάλλον μη υπερκαθαρού δωματίου ή/και χωρική σύζευξη υψηλής ισχύος αιχμής στην ακραία επιφάνεια της ίνας, μπορεί να αντιμετωπιστεί από τα εμπορικά διαθέσιμα ακραία καλύμματα φωτονικών κρυστάλλων ή με την κατάρρευση συγκεκριμένων ανοιγμάτων στην ακραία επιφάνεια της ίνας .
Ο Πίνακας 1 παραθέτει τα τρία πειραματικά σχήματα που χρησιμοποιήθηκαν από τους συγγραφείς για τη μελέτη του μηχανισμού βλάβης των οπτικών 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 διαπίστωσε ότι η ίνα είχε καταστραφεί μετά από 100 ± 40 ώρες αθροιστικής λειτουργίας. Το Σχήμα 2 χρησιμοποίησε διαφορετική πηγή κίνησης και ίνα φωτονικών κρυστάλλων, αλλά η πυκνότητα μέγιστης ισχύος που συνδέεται με την ακραία όψη της ίνας παρέμεινε η ίδια με εκείνη του σχήματος 1. Ωστόσο, το σχήμα 2 οδηγεί σε φωτοφθορές εντός 10 ± 2 ωρών. Η τοποθεσία όπου συμβαίνει η οπτική βλάβη διαφέρει μεταξύ αυτών των δύο σεναρίων: η οπτική βλάβη στο σενάριο 1 εντοπίζεται<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.
Για να επαληθεύσουν αυτήν την ιδέα, οι συγγραφείς επέλεξαν την ίνα LMA-PM-40-FUD με διάμετρο πεδίου λειτουργίας 32 μm στο Σχήμα 3. Η περίοδος LPFG υπολογίστηκε ότι είναι περίπου 9 cm και το μήκος της ίνας 9 cm είναι λιγότερο από έναν κύκλο, επομένως το φαινόμενο της βλάβης των ινών που προκαλείται από το LPFG θα εξαφανιστεί θεωρητικά. Πειραματικά, το οπτικό σύστημα του σχήματος 3 παραμένει επίσης σταθερό μετά από 2000 ώρες αθροιστικής λειτουργίας.
Το σχήμα 2 δείχνει την πολυπαραμετρική συντονίσιμη πηγή φωτός femtosecond που κατασκευάστηκε από τους συγγραφείς με βάση το Σχήμα 3. Ολόκληρη η πηγή φωτός αποτελείται από ένα σύστημα pp-FCPA με επαναλαμβανόμενη συχνότητα συντονισμένη από 1-10 MHz ως το μπροστινό άκρο και έναν φωτονικό κρύσταλλο ίνα που αποφεύγει την οπτική βλάβη που προκαλείται από το LPFG ως τη μονάδα που δημιουργεί το υπερσυνεχές φάσμα, δηλαδή έναν μη γραμμικό μετατροπέα ινών (FNWC). Μετά τη φασματική διεύρυνση οι παλμοί κατευθύνονται σε έναν προγραμματιζόμενο διαμορφωτή παλμών. Επιλέγοντας ένα συγκεκριμένο παράθυρο φίλτρου και ποσό αντιστάθμισης διασποράς, το κεντρικό μήκος κύματος μπορεί να ρυθμιστεί στην περιοχή των 950-1110 nm και το πλάτος παλμού μπορεί να συντονιστεί στην περιοχή των 40-400 fs. Επιπλέον, ο τελικός παλμός εξόδου μπορεί να μεταδοθεί με ένα τμήμα καλωδίου επικάλυψης 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 για λέιζερ ινών femtosecond με σημαντική δυνατότητα συντονισμού όσον αφορά την επανασυχνότητα, το μήκος κύματος και το πλάτος παλμού, το οποίο εξηγεί και καταστέλλει την οπτική βλάβη στο σύστημα συζευγμένων ινών και του οποίου το αντίστοιχο ενσωματωμένο σύστημα λέιζερ είναι εξαιρετικά σταθερό, που υπόσχεται να διευρύνει τις εφαρμογές των συντονίσιμων υπερταχέων λέιζερ σε βιολογικούς και ιατρικούς τομείς.
