Los láseres de fibra ultrarrápidos sintonizables de múltiples parámetros están impulsando muchas áreas emergentes de la fotónica biomédica de femtosegundos. Dado que los láseres ultrarrápidos de estado sólido son difíciles de ajustar de forma independiente los tres parámetros de longitud de onda central, frecuencia de repetición y ancho de pulso con energía de pulso de salida garantizada, la fotónica biomédica de femtosegundos generalmente usa amplificadores de pulso chirp de fibra única selectivos de pulso (pp-FCPA) con paramétrico óptico. amplificadores (OPA) como fuente de luz de conducción. Sin embargo, los componentes espaciales complejos de OPA afectan en gran medida la calidad del haz y la inmunidad ambiental del sistema, y el tedioso mantenimiento de rutina está más allá del conocimiento de los científicos de la vida. Por lo tanto, para reemplazar la tecnología OPA y aprovechar el sistema pp-FCPA, los autores desarrollaron una fuente de luz de femtosegundos ajustable en longitud de onda basada en la generación supercontinua.
La Figura 1 ilustra tres métodos comunes para generar el espectro supercontinuo. El método 1 utiliza una arquitectura de fusión totalmente de fibra, que tiene la estructura más compacta y una excelente estabilidad ambiental, pero la transmisión en la fibra es principalmente láseres de picosegundos, que se encuentran comúnmente en los láseres comerciales. El método 2 utiliza un cierre comercial con tapas de fibra y extensiones de modo como un convertidor de longitud de onda no lineal adicional para osciladores de zafiro de titanio para admitir la conversión de longitud de onda de pulsos de femtosegundos. El método 3 es similar al método 2, pero incorpora un front-end pp-FPCA con ventajas de fibra al acoplar un pulso de femtosegundo de alta energía en una sección de fibra de cristal fotónico para producir un espectro supercontinuo coherente. Es este tercer método el que utilizan los autores en este artículo.
Sin embargo, se encontró que la fibra utilizada para la generación supercontinua generalmente se daña después de aproximadamente 100 horas de operación acumulada. El daño óptico irreversible limita significativamente la vida útil de la fuente supercontinua. Por lo tanto, es necesario determinar el principio de este daño óptico para encontrar un medio para eludirlo. Si el fotodaño es causado por contaminantes transportados por el aire en un ambiente de sala no superlimpia y/o acoplamiento espacial de alta potencia máxima en el extremo de la fibra, puede solucionarse con tapas de fibra de cristal fotónico disponibles en el mercado o colapsando aberturas específicas en el extremo de la fibra. .
La Tabla 1 enumera los tres esquemas experimentales utilizados por los autores para estudiar el mecanismo de daño de las fibras ópticas. El Esquema 1 acopló un pulso de entrada con una longitud de onda central de 1030 nm, una frecuencia de repetición de 10 MHz y un ancho de pulso de 280 fs en una sección de 25 cm de fibra LMA-PM-15, y después de repetidos experimentos, todos encontró que la fibra estaba dañada después de 100 ± 40 horas de operación acumulada. El esquema 2 usó una fuente de transmisión y una fibra de cristal fotónico diferentes, pero la densidad de potencia máxima acoplada a la cara del extremo de la fibra siguió siendo la misma que la del esquema 1. Sin embargo, el esquema 2 produce daño solar en 10 ± 2 horas. La ubicación donde ocurre el daño óptico difiere entre estos dos escenarios: el daño óptico en el escenario 1 se encuentra<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.
Para verificar esta idea, los autores eligieron la fibra LMA-PM-40-FUD con un diámetro de campo modal de 32 μm en el Esquema 3. Se calculó que el período LPFG era de unos 9 cm, y la longitud de la fibra de 9 cm es menos de un ciclo, por lo que el efecto de daño de fibra causado por LPFG teóricamente desaparecerá. Experimentalmente, el sistema óptico del esquema 3 también permanece estable después de 2000 horas de operación acumulada.
La Figura 2 muestra la fuente de luz de femtosegundo sintonizable multiparamétrica construida por los autores en base al Esquema 3. La fuente de luz completa consiste en un sistema pp-FCPA con una frecuencia de repetición sintonizable desde 1-10 MHz como el extremo frontal, y un cristal fotónico fibra evitando el daño óptico causado por LPFG como unidad generadora del espectro supercontinuo, es decir, un convertidor no lineal de fibra (FNWC). Después del ensanchamiento espectral, los pulsos se dirigen a un modelador de pulsos programable. Al seleccionar una ventana de filtro específica y una cantidad de compensación de dispersión, la longitud de onda central se puede sintonizar en el rango de 950-1110 nm y el ancho de pulso se puede sintonizar en el rango de 40-400 fs. Además, el pulso de salida final se puede transmitir con una sección de cable de conexión de fibra de núcleo hueco Kagome de baja dispersión, lo que permite que esta fuente de luz se cambie fácilmente entre diferentes módulos de aplicación.
En resumen, los autores han desarrollado un accesorio confiable para láseres de fibra de femtosegundos con una capacidad de ajuste sustancial en términos de frecuencia, longitud de onda y ancho de pulso, que explica y suprime el daño óptico en el sistema de fibra acoplada, y cuyo sistema láser integrado correspondiente es altamente estable, prometiendo ampliar las aplicaciones de los láseres ultrarrápidos sintonizables en los campos biológico y médico.
