Laser gentian ultrafast boleh tala berbilang parameter telah memacu pembangunan banyak bidang baru muncul fotonik bioperubatan femtosecond. Memandangkan sukar untuk menala secara bebas tiga parameter panjang gelombang tengah, kekerapan pengulangan dan lebar nadi dengan tenaga nadi keluaran terjamin untuk laser ultrafast keadaan pepejal, fotonik bioperubatan femtosaat biasanya menggunakan penguat nadi berkicau gentian terpilih (pp-FCPA) yang digabungkan. dengan penguat parametrik optik (OPA) sebagai sumber cahaya pemanduan. Walau bagaimanapun, komponen spatial yang besar bagi OPA sangat mempengaruhi kualiti rasuk dan imuniti persekitaran sistem, dan penyelenggaraan rutin yang membosankan adalah di luar pengetahuan saintis hayat. Oleh itu, untuk menggantikan teknologi OPA dan menggunakan kelebihan sistem pp-FCPA, penulis membangunkan sumber cahaya femtosaat boleh tala panjang gelombang berdasarkan penjanaan supercontinuum.
Rajah 1 Tiga cara penjanaan supercontinuum
Rajah 1 menggambarkan tiga kaedah biasa untuk menghasilkan spektrum supercontinuum. Kaedah 1 menggunakan seni bina gabungan semua gentian, yang menawarkan pembinaan paling padat dan kestabilan alam sekitar yang sangat baik, tetapi gentian membawa kebanyakannya laser picosecond, yang biasa ditemui dalam laser komersial. Kaedah 2, sebaliknya, menggunakan penutupan yang tersedia secara komersial dengan penutup hujung gentian dan pengembangan mod sebagai penukar panjang gelombang tak linear yang dipasang pada pengayun nilam titanium untuk menyokong penukaran panjang gelombang untuk denyutan femtosaat. Kaedah 3 adalah serupa dengan Kaedah 2, tetapi menggabungkan hujung hadapan pp-FPCA dengan kelebihan gentian optik dengan menggabungkan denyutan femtosaat bertenaga tinggi ke dalam bahagian gentian kristal fotonik untuk menghasilkan spektrum superkontinum yang koheren. Pendekatan ketiga inilah yang penulis gunakan dalam makalah ini.
Walau bagaimanapun, secara eksperimen didapati gentian optik yang digunakan untuk penjanaan supercontinuum biasanya rosak selepas kira-kira 100 jam operasi kumulatif. Kerosakan optik tidak dapat dipulihkan sangat mengehadkan hayat sumber superkontinum. Oleh itu, terdapat keperluan besar untuk menentukan prinsip kerosakan optik ini untuk mencari cara untuk memintasnya. Jika kerosakan optik disebabkan oleh bahan cemar bawaan udara dalam persekitaran bukan bilik super bersih dan/atau gandingan spatial kuasa puncak tinggi pada muka hujung gentian, ia boleh ditangani dengan penutup hujung gentian kristal fotonik yang tersedia secara komersil atau dengan meruntuhkan apertur tertentu dalam muka hujung gentian. .
Jadual 1 Tiga senario eksperimen untuk penjanaan supercontinuum
Jadual 1 menyenaraikan tiga skim eksperimen yang digunakan oleh pengarang untuk mengkaji mekanisme kerosakan gentian. Skim 1 menggabungkan nadi input dengan panjang gelombang pusat 1030 nm, frekuensi pengulangan 10 MHz dan lebar nadi 280 fs ke dalam bahagian 25 cm gentian LMA-PM-15 dan selepas percubaan berulang, semua daripada mereka mendapati gentian telah rosak selepas 100 ± 40 jam operasi terkumpul. Skim 2 menggunakan sumber cahaya pemacu yang berbeza dan gentian kristal fotonik, tetapi ketumpatan kuasa puncak yang digabungkan dengan muka hujung gentian kekal sama seperti dalam Skim 1. Walau bagaimanapun, senario 2 menunjukkan kerosakan optik dalam masa 10 ± 2 jam. Kedua-dua skema berbeza di mana kerosakan optik berlaku: kerosakan optik dalam skema 1 terletak<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.
Untuk mengesahkan idea ini, pengarang memilih gentian LMA-PM-40-FUD dengan diameter medan mod sehingga 32 μm dalam Skim 3. Tempoh LPFGnya dikira kira-kira 9 cm dan panjang gentian 9 cm adalah kurang daripada satu kitaran, jadi kesan kerosakan gentian teori yang disebabkan oleh LPFG akan hilang. Secara eksperimen, sistem optik skema 3 juga kekal stabil selepas 2000 jam operasi terkumpul.
Rajah 2 Diagram skematik sumber cahaya femtosaat boleh tala berbilang parameter berdasarkan penukar bukan linear gentian
Rajah 2 mewakili sumber cahaya femtosaat boleh tala berbilang parameter yang dibina oleh pengarang berdasarkan Skim 3. Keseluruhan sumber cahaya terdiri daripada sistem pp-FCPA dengan frekuensi ulangan boleh ditala dari 1-10 MHz sebagai bahagian hadapan, dan gentian kristal fotonik yang mengelakkan kerosakan optik yang disebabkan oleh LPFG sebagai unit yang menjana spektrum supercontinuum, iaitu, penukar bukan linear gentian (FNWC). Nadi yang diluaskan secara spektrum diarahkan ke pembentuk nadi boleh atur cara. Dengan memilih tetingkap penapis tertentu dan jumlah pampasan penyebaran, panjang gelombang tengah boleh ditala dalam julat 950-1110 nm dan lebar nadi boleh ditala dalam julat 40-400 fs. Di samping itu, nadi keluaran akhir boleh dihantar dengan bahagian tampalan gentian optik teras berongga Kagome penyebaran rendah, membolehkan sumber cahaya ini ditukar dengan mudah antara modul aplikasi yang berbeza.
Secara ringkasnya, pengarang telah membangunkan aksesori frekuensi berat, panjang gelombang dan lebar nadi yang boleh dipercayai untuk laser gentian femtosaat yang boleh dilaras dengan ketara, menerangkan dan menyekat kerosakan optik dalam sistem gentian berganding, dan sistem laser bersepadu yang sepadan mempunyai tahap tinggi kestabilan, yang dijangka meluaskan aplikasi laser ultrafast boleh tala dalam bidang biologi dan perubatan.
